/
Author: Сухоруков В.И.
Tags: технология топлив химия инженерия металлургия металлы физическая химия кокс
ISBN: 5-89393-006-1
Year: 1999
Text
В. И. СУХОРУКОЕ
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНИКИ И
ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА КОКСА
Екатеринбург
1999
ISBN 5-89393-006-1 .
УЧРЕДИТЕЛИ:
Национальная коксохимическая ассоциация
Восточный научно-исследовательский углехимический институт
ИЗДАНИЕ КНИГИ ФИНАНСИРОВАЛИ:
АО "Запсибметкомбинат" (г. Новокузнецк)
АО "Ником" (г. Нижний Тагил)
АО "Северосталь" (г. Череповец)
АО ''Носта" (г. Новотроицк)
АО "Русская металлургическая компания" (г. Магнитогорск)
АО "Алтайкокс" (г. Заринск)
ГУП ВУХИН (г. Екатеринбург)
УДК 662.74
СУХОРУКОВ ВАДИМ ИВАНОВИЧ,
профессор, доктор технических наук
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНИКИ И
ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА КОКСА
Редактор С. А. Кудрин
Технический редактор, корректор Т. В. Слышкина
Компьютерная верстка: Т. В. Полторацкая
Издание подготовлено ООО Редакцией "АЛЛО"
620219, г Екатеринбург, ул. Толмачева, 23, тел. C432M1-24-32.
Лицензия на издательскую деятельность: серия ЛР №064695 от 05.08:96 г.
Комитет РФ по печати
Отпечатано в ПОУП «Богданоеичская типография» по адресу:
г. Богданович, Первомайская, 41.
Заказ 1005, тираж 700 экземпляров.
УДК 662.74
094
Техническая
библиотека
(ОАО « Алтай-;, о?^
/009
Научные основы совершенствования техники и технологии
производства кокса. Сухорукое В. И. Екатеринбург, 1999 г.
В книге представлены результаты теоретических и экспериментальных исследо-
исследований и их приложение для решения практических вопросов совершенствования техники и
технологии производства металлургического кокса.
Изложены основы теории термических преобразований каменных углей, их
пластического состояния и спекания, формирования внутренних напряжений, упруго-проч-
упруго-прочностных и физико-химических свойств кокса. Рассмотрены основные явления промышлен-
промышленного процесса коксования: влияние размеров печных камер на плотность насыпной массы,
усадка загрузки в процессе коксования, формирование конечного вида коксового пирога,
газодинамические условия в загрузке и пиролиз парогазовых продуктов коксования.
Приведены результаты промышленных исследований по повышению эффектив-
эффективности существующей технологии подготовки и коксования углей, новых способов подю-
товки углей для действующих производств, а также комплекс средств для повышения их
эффективности. Рассмотрены возможные направления реконструкции и модернизации
коксового производства.
Книги предназначена для научных работников, инженеров, техников и студентов
специальностей технологии коксохимического производства.
Ил. 91,Табл. 148, Список лит. 279 назв.
ISBN 5-89393-006-1
©Сухорукое В. И.
Редакция "АЛЛО"
Оглавление
Введение 9
1. Основы теории термохимических преобразований
каменных углей 12
1.1. Основные исходные положения теории
коксования 12
1.2. Представления о структуре и химическом
строении углей 13
Неоднородность химическом строения углей 15
1.3. Единая классификация каменных углей 18
1.4. Международная классификация
каменных углей 22
1.5. Угольная сырьевая база коксования 25
1.6. Термохимическое преобразование углей 30
1.7. Изменение прочности углей при измельчении и
нагреве 31
1.8. Совместное воздействие на измельчаемость углей
нагрева и газовой среды 35
1.9. Влияние газовой среды и нагрева при измельчении
углей на кинетику их термической деструкции и
спекаемость 36
2. Пластическое состояние углей 38
2.1. Теоретический анализ газопроницаемости
пластической массы углей 41
2.2. Газопроницаемость пластической массы углей
технологического измельчения 44
Влияние степени мешшюрфтмауглей на газопроницаемость
пластической массы. 48
Вяияиие уровня измельчения угольной шихты 49
Влияние способов поОготовки угольной шихты 50
Влияние спосооок подготовки углей на кинетику их термической
деструкиии 52
3. Формирование внутренних напряжений,
упруго-прочностных и физико-химических свойств
кокса 57
3.1. Вопросы теории формирования внутренних
напряжений в процессе образования кокса 57
3.1.1. Анализ локальных термических напряжений 60
3 1.2. Расчет критического размера и концентрации включений в коксе 64
3.1.3. Воздействие объемных и локальных термических напряжений в
процессе коксования 67
3.1.4. Влияние технологических факторов на величину внутренних
напряжений в коксе 71
3.2. Формирование и технологическое значение
физико-химических свойств кокса 73
3.2.1 Зависимость физико-химических свойств кокса от степени
метаморфизма \ глеи 75
3 2 2 Взаимосвязь физико-химических свойств кокса и его
рентгеноструктурных параметров 76
3 2 3 Влияние различных технологических факторов на
физико-химические свойства кокса 78
3.3. Влияние твердых продуктов пиролиза парогазовой
фазы на выход, упрочнение и физико-химические
свойства кокса 8!
3.4. Упрочнение кокса при его тушении парами
жидких продуктов переработки угля и нефти 87
3.5. Изотермическая выдержка и сухое
тушение кокса 91
3.6. Влияние механических и физико-химических
свойств кокса на ход доменного процесса 100
4. Основные явления промышленного процесса
коксования 104
4.1. Влияние габаритных размеров печных камер на
плотность насыпной массы угольной загрузки .... 104
4.1.]. Падение частиц уьпей при загрузке печных камер 104
Свободное падение частиц п гегювой среде 104
Стесненное падение : 107
Влияние гаювыделепия при чагрузке шихты 107
Влияние расстояния между люками на плотность насыпной
массы угольной загрузки 108
4.1.2. Плотность угольной з;нрузкн в промышленных печных камерах 108
4.2. Распределение угольной шихты по плотности в
полномасштабной модели печной камеры 109
Аппаратура и методика измерения плотности 110
Основные результаты экспериментов ///
4.3. Усадка угольной загрузки в процессе коксования и
формирование коксового пирога 113
4 3 I О самоуплотнении угольной загрузки 114
4.3 2 Вертикальная усадка загрузки в печных камерах разной высоты 115
4.3.3 Горизонтальная усадка загрузки и конечный
вид коксового пирога 117
4 3 4 Особенности формирования коксового пирога в его осевой
плоскости 121
5. Газодинамические условия в коксуемой загрузке,
формирование и пиролиз потоков парогазовых
продуктов коксования 123
5.1. Давление коксования и нагрузки на стены
печных камер 128
Полупромышленные испытания 129
Промышленные испытания 131
5.2. Движение и пиролиз парогазовых продуктов в
коксуемой загрузке и печной камере 139
5.2.1. Термическая устойчивость парогазовой фазы и ее влияние на
условия эксплуатации печей и качество продуктов коксования 139
5.2.1.1. Состав и термическая устойчивость
первичной смолы 140
5.2.1.2. Термическая устойчивость парогазовых продуктов
полукоксования углей 142
5.2.1 Л. Термическая устойчивость парогазовых продуктов при
коксовании термически подготовленных углей 146
5.2.2. Продолжительность пиролиза парогазовых
продуктов коксования 148
5.2.2.1. Время пребывания газа в слое полукокса-кокса 148
5.2.2.2. Время пребывания газов у стен камер 151
5.2.2.3. Время пребывания газов в подсводовом пространстве 152
5.3. О режиме работы подсводового пространства
печных камер 155
5.4.Расчет уровня перевала продуктов сгорания
отопительного газа ("уровня обогрева") 156
5.5. Расчет температур и степени пиролиза по длине
подсводового пространства 163
6. Повышение эффективности существующей
технологии подготовки и коксования углей 166
6.1. Требования к качеству доменного кокса 166
6.2. Оптимизация уровня измельчения
угольных шихт 172
т
' 6.2.1. Анализ существующего уровня измельчения 173
6.2.2. Метод определения оптимального уровня измельчения 174
6.2.3 Установление оптимального уровня измельчения 175
6.3. Повышение эффективности использования
полезного объема коксовых печей 176
6.4. Влияние повышенных температур коксования на
качество кокса и химических продуктов . 178
6.5. Оптимизация температурного
режима коксования 182
6.6. Особенности режима обогрева большегрузных
коксовых батарей системы ПВР 185
6.6.1. Равномерность прогрева коксуемой sa;ручки 185
6.6 2 Рациональное распределение температур по длине обогревательных
простенков 188
6.7. Оптимизация работы установок сухого
тушения кокса 192
6.8. Оптимизация технологического режима коксовой
батареи в комплексе с УСТК 195
6.9. Влияние нарушений режима обогрева печей на
условия коксования и качество кокса 197
7. Новые способы подготовки углей к коксованию для
действующих производств 206
7.1. Избирательное измельчение углей с
пневматической сепарацией в кипящем слое 206
7.1.1. Избирательное измельчение с двухступенчатой пневмосепарацией
(ИД ПМС-2) 207
Распределение угольного материала по классам
крупности шнхгпы 210
Материальный баланс двухступенчатой иневмосепарации. . . 214
7 I 2 Повышение эффективности работы и производительности
отделителей с кипящим слоем 216
7.1.3. Избирательное измельчение с одноступенчатой
пневмосепарацией (ПМС-1) 221
7 1 4 Испытание качества кокса из угольных шихт, подготовленных
разными способами 228
7.1.5. Сравнительные испытания кокса доменными плавками 231
7 ] .ft. О перспективе внедрения избирательного измельчения углей с
применением ппевмосспарации 233
Избирательное измельчение с пневматической сепарацией
индийских углей 240
7.2. Технология подготовки и коксования частично
брикетированных шихт со связующим 244
7.2.!. К теории коксования частично брикетированных угольных шихт244
Испытание частично брикетированных шихт в полузаводских
условиях 248
Испытание частично брикетированной производственной
шихты Нижнетагильскогометкомбината 249
Испытание частично брикетированных угольных шихт с
участием слабоспекающихся углей 249
Испытание частично брикетированной угольной инисты в
промышленных условиях 252
Избирательное измельчение углей перед их частичным
брикетированием 258
Избирательное измельчение углей с пневмосепарацией и
окомкованием угольной мелочи 261
7.3. Термическая подготовка угольной шихты .... 265
8. Разработка комплекса средств для модернизации и
повышения эффективности коксового производства 273
8.1. Комбинированная технология подготовки углей к
коксованию 273
8.1.1. Принципиальная технологическая схема 275
8.1.2. Полузаводская установка 277
8.2. Рациональный уровень и условия интенсификации
процесса коксования 283
8.2.1. Сравнительные испытания вдинасовой и корундовой печах . . 285
8.2.2. Полузаводская печь для исследования условий коксования .... 287
Влияние ширины печной камеры на период коксования 290
Испытание ноиых огнеупоров для стен печных камер 296
8.2.5 Условия и особенности интенсификации процесса коксования 299
8.3. О рациональном уровне интенсификации процесса
коксования 299
8.4. О методике оценки прочности кокса 302
8.5. Пути повышения прочности кокса при увеличении
скорости коксования 308
8.5.1. Испытание угольных шихт различного состава 309
8.5.2. Повышение уровня измельчения шихты 312
8.5.3 Повышение насыпной плотности угольной загрузки 313
8.5.4. Предварительный нагрев угольной шихты 314
8.5.5. Механическая обработка кокса 316
8.5.6. Сухое тушение кокса 318
8.6. Особенности коксования в ширококамерных печах
в условиях интенсификации процесса 319
9. Направления реконструкции и модернизации
коксового производства 329
9.1. Основные направления реконструкции коксовых
батарей за рубежом 329
9.2. Технический уровень реконструируемых
коксовых батарей в Российской Федерации 334
9.3. Перспективы непрерывных процессов . ¦
коксования 336
9.4. Основные направления
совершенствования техники и технологии слоевого
коксования в России 339
9.5. Принципиальные положения по проектированию
коксовой батареи будущего 341
9.5.1. Новые конструктивные и технологические решения 341
9 5 2 К расчету обогревательных простенков коксовых печей на
прочность 348
9 5.3 Основные требования и пути обеспечения экологической
бечопасности предприятия „ 361
9 5 4 Сравнительные технико-экономические показатели коксовых
батарей с камерами различного объема 364
9 5 5 Комбинированная технология коксового производства будущего
"Combitec" (ЬСомбитек) 368
Заключение 372
Литература 376
Нтмн
Введение
После выхода в свет книг Н.С.Грязнова "Основы теории
коксования" и "Пиролиз углей в процессе коксования" [1,2], которые в
настоящее время являются единственными научными пособиями для
совершенствования технологии коксового производства, больше не
появилось подобных систематизированных трудов. Между тем, в странах
с развитой коксохимической промышленностью, интенсивно продол-
продолжались исследования как по совершенствованию существующего про-
процесса коксования, так и по созданию новой техники и технологии
коксового производства. В последнее десятилетие на передовые позиции
вышли Германия, Япония, США, Англия, Россия и Украина. Появилось
большое количество новых разработок по подготовке углей к кок-
коксованию, новым конструкциям коксовых агрегатов большой единичной
мощности, процессам подготовки кокса к доменной плавке, автома-
автоматизации и механизации производственных процессов, созданию новых
непрерывных, экологически чистых технологий и техники производства
кокса.
Необходимость развития научных основ коксования с целью
совершенствования и технического перевооружения коксового произ-
производства диктуется повышенными требованиями потребителей к коксу.
По прогнозам Международного института черной металлургии A1SI,
г. Брюссель) доменный процесс в ближайшие десятилетия остается
основной технологией получения чугуна, причем систематически
ведутся работы по его интенсификации и повышению экономичности
путем применения повышенной температуры дутья, восстановительных
газов, пылеугольного топлива и др. В связи с этим значительно возрастает
роль кокса, особенно по прочности и крупности, для обеспечения
необходимых условий ведения процесса. Поэтому перед коксохими-
коксохимической промышленностью поставлена весьма трудная и сложная задача,
от решения которой в большой мере зависит дальнейший прогресс в
черной металлургии,-разработать и осуществить рациональную систему
развития техники и технологии производства, обеспечивающую получе-
получение высококачественного кокса в достаточном количестве.
Решение этой задачи в условиях рыночных экономических
отношений в России осложняется неблагоприятным развитием сырьевой
угольной базы, необходимостью приведения в соответствие расхода
углей на коксование с их природными запасами, а также значительным
отставанием обновления физически и морально устаревшего печного
фонда. Сырьевая база по группам хорошо коксующихся и определяющих
спекаемость углей при существующей технологии, не отвечает требо-
10
ваниям получения кокса максимальной прочности [3]. Перспектива
развития сырьевой базы коксования будет определяться результатами
реализации программы реструктуризации угольной промышленности,
прежде всего Кузбасса [4,5].
Таким образом, технический прогресс в черной металлургии
невозможен на базе существующей технологии коксового производства,
так как введение в состав шихт слабоспекающихся углей приводит к
ухудшению качества кокса. Поэтому необходимо осуществить новые,
более эффективные способы их подготовки и коксования.
Усовершенствование существующих и создание новых процессов
подготовки угольных шихт ведется, главным образом, средствами
уплотнения загрузки путем трамбования, брикетирования, термического
нагрева. Основным направлением совершенствования технологии слое-
слоевого коксования является его интенсификация, наращивание объема
печных камер, подготовка кокса к использованию. Применение средств
уплотнения и скорости нагрева загрузки усиливают противоречивость
процесса коксования, так как с ростом спекаемости угольной шихты
возрастают внутренние напряжения. Требуется их регулирование путем
направленного распределения материала углей в готовой шихте,
рационального нагрева при подготовке и коксовании.
Для улучшения качества кокса должен быть предусмотрен
комплекс мероприятий, позволяющих в широком диапазоне влиять на
процесс коксования и расширяющих возможность применения слабо-
спекающихся углей. Разработка наиболее эффективного сочетания
мероприятий в указанном комплексе может быть осуществлена на основе
углубления познания промышленного процесса коксования, его механиз-
механизма, то есть при дальнейшем развитии научных основ производства кокса.
В представляемой монографии особое внимание обращено на
явления и процессы, имеющие место в полномасштабных условиях
промышленных коксовых печей: теорию и практику загрузки печных
камер угольной шихтой, распределение ее по плотности, по длине и
высоте, усадку загрузки в процессе коксования и формирование конеч-
конечного вида коксового пирога, газодинамические условия в коксуемой
загрузке, давление распирания, термическую устойчивость, движение и
продолжительность пиролиза парогазовых продуктов в разных зонах
печной камеры, расчеты основных параметров реконструируемых и
вновь строящихся коксовых агрегатов.
На основе дальнейшего развития теории процесса коксования
предложены апробированные средства и способы подготовки угольных
шихт с применением рационального измельчения, уплотнения и соот-
соответствующих условий коксования для расширения угольной сырьевой
базы коксования, получения высококачественного кокса, кондиционных
химических продуктов и повышения производительности коксовых
Hticiieime
и
агрегатов, при обеспечении эксплуатационной и экологической надеж-
надежности процессов, сохранности кладки печей и основного оборудования.
Данная монография является результатом многолетних исследо-
исследований, проведенных в Восточном научно-исследовательском углехими-
ческом институте. Из сотрудников института в выполнении отдельных
исследований активное участие принимали Н.С.Грязное, Л.И.Еркин,
Е.В.Беляев, О.С.Морозов, Г.И.Нечаева, В.С.Маслов, Л.В.Копелиович,
Ю.А.Нечаев, М.Ю.Посохов, С.Г.Стахеев. Большую помощь в организа-
организации и проведении промышленных испытаний оказали руководители и
специалисты коксохимических предприятий и организаций, особенно
Ф.А.Мустафин, А.Н. Беркутов, А.З.Смелянский, А.Н.Патрушев,
В.В.Митяев, В.В.Кочкин, Г.М.Дорогобид, Е.Б.Ушаков, В.К.Качаев,
Л.Е.Шелякин, Л.И.Миропенко, Н.Ф.Симонов, а также руководители
управлений и бригад бывш. Всесоюзной коксохимстанции и Гипрококса.
12
I. Ренты теории пн.'ц\Ц{хнмнческнх п/к'порчянишнн каменных углеА
1. Основы теории термохимических
преобразований каменных углей
1.1. Основные исходные положения теории коксования
Процесс коксования - это сложная система физико-химических
превращений материала углей, осуществляемых с помощью реакций
термической деструкции и конденсации. В совокупности эти реакции
являются элементами единого процесса-радикальной поликонденсации.
Деструкция сопровождается перераспределением водорода между
образующимися продуктами. Они обогащаются им и превращаются в
низкомолекулярные вещества, из которых временно формируется жидкая
фаза и образуются смоляные пары и углеводородные газы. Другие
продукты обедняются водородом, становятся ненасыщенными соедине-
соединениями и участвуют в реакциях конденсации, синтезе высокомоле-
высокомолекулярных веществ, надмолекулярных образований и твердого остатка.
Значительное влияние на процесс пиролиза и формирования
пористой структуры кускового кокса оказывает физическое состояние
дисперсной массы углей. Последняя представляет собой гетерогенную
среду, компоненты которой разнородны: различаются по генетическим
признакам - петрографическому составу, степени метаморфизма, хими-
химическому строению и минерализации. Оптимизация состояния этой массы
является задачей способов подготовки углей к коксованию. С их
помощью можно регулировать гранулометрический и вещественный
состав угольных шихт, плотность загрузки, скорость и конечную
температуру коксования и ряд других факторов процесса.
В научном аспекте воздействие на ход коксования любых
технологических средств проявляется в их влиянии на прочность
спекания углей в пластическом состоянии и развитие внутренних напря-
напряжений в отвержденной коксуемой массе.
Пластическое состояние и максимальная активация совпадают и
обеспечивают возможность установления пластического контакта и
химического взаимодействия остаточного материала угольных зерен.
Пластическое состояние определяется ресурсами жидкой фазы и поли-
полидисперсной смеси веществ, а отверждение пластической массы - их аро-
ароматизацией и рекомбинацией ароматических структур.
Структурная прочность отвержденной массы и кокса зависит от
прочности спекар|ия, когезионной прочности вещества и пористости.
Переход углей в пластическое состояние способствует упорядочению
структуры углерода кокса, но уменьшает его релаксационную способ-
тжечш ята
•ipiut h
13
ность и усиливает напряженность. Установление напряженного состоя-
состояния коксуемой массы, характеризуемого модулем упругости, гра-
градиентом усадки, пределом прочности и температуропроводностью, поз-
позволяет оценивать сопротивление разрушению, крупность и термо-
термостойкость кокса.
С позиции общей теории коксования в монографии дано
теоретическое обоснование промышленного процесса (анализ превра-
превращения угольной загрузки в условиях переменной скорости ее прог-
прогревания и возникновения градиента температуры переменной величины),
определены оптимальные варианты новых способов подготовки углей и
намечены пути совершенствования слоевого коксования.
1.2. Представления о структуре и химическом строении
углей
Процесс углеобразования включает два последовательных этапа:
— на первом этапе протекают в основном биохимические процессы
(диагенез) — действуют факторы на стадии образования торфа, в том
числе исходный материал, условия его накопления, химические
свойства среды. В зависимости от состава исходного растительного
материала твердые горючие ископаемые подразделяются на гумито-
вые, липтобиолитовые, сапропелитовые и смешанные. Гумитовые
образовались в основном из высших наземных растений, липтоби-
липтобиолитовые - из восков, смол и кутикул наземных растений, сапропе-
сапропелитовые - из водорослей и планктона водоемов;
— на втором этапе ( метаморфизм) протекают в основном геохимические
процессы в условиях повышенных температуры и давления.
Различное проявление процессов на обоих этапах углеобразования
сказывается на петрографическом составе, степени восстановленное™ и
метаморфизма и, в конечном счете, на химическом строении и свойствах
углей.
Каменные угли имеют разнообразный петрографический и
химический состав, зависящий от их происхождения и условий обра-
образования [6]. В углях различают шесть групп микрокомпонентов:
витринит, семивитринит, фюзинит, лейптинит, альгинит и микстинит,
включающих 14 их разновидностей (табл. 1.1).
Преобладающим в структуре углей является витринит с его
разновидностями коллинитом и теллинитом. Фюзинит присутствует в
виде прослоев, включений и имеет клеточное строение. Группа
семивитринита занимает промежуточное положение между группами
микрокомпонентов витринита и фюзинита. Лейптинит-это компоненты.
14
1. Ранты пшо/ти гиецчихимических ttjMiiajiajtitiaititii каменных y.'.teii
морфологически связанные с исходным углеобразующим растительным
материалом. Альгинит - остатки микроводорослей.
Таблица 1.1
Номенклатура микрокомпонентов каменных углей
Наименование
групп
MllkpOKOMIKI-
иентов
Витринит
Семивитринит
Фючинит
Лейптинит
Альгинит
Микстинит
Минеральные
примеси
Обошаче-
п не
Vt
S\
F
L
Alg
M
Ml
Наименование
мнкрокомно-
пентов
Коллинит
Теллинит
Семиколлинит
Семителлинит
Семифюзинит
Мнкринит
Фюзинит
Склеротинит
Споринит
Кутинит
Резинит
Кальгинит
Талыинит
Микстинит
Глинистые,
сульфиды
железа,карбонаты,
киарц и другие
Обозначе-
Обозначение
Vt, -
Vt2
Sv,
Sv,
F,
F3
F,
F4
L,
L3
L,
Alg,
Alg2
M
MI,-MI5
Угли Донбасса относительно однородны по петрографическому
составу. В углях Волынского месторождения повышенное содержание
фюзинита и лейптинита. Наибольшей неоднородностью петрогра-
петрографического состава характеризуются угли Кузнецкого и Карагандинского
бассейнов [7,8]. Объемная доля в них основных групп микрокомпонентов
изменяется в широких пределах, %: витринита 20+90, фюзинита 5+40
(табл. 1.2).
Указанные микрокомпоненты различаются по свойствам:
витриниг средних стадий метаморфизма является основным спекающим
компонентом угля, тогда как фюзинит этой способностью не обладает.
При термических и химических воздействиях свойства витринита
изменяются легче и в большей мере, чем у фюзинита.
ч аируктидх и тмнческаи стрпетш у?;1
15
Таблица 1.2
Содержание основных групп
микрокомпокечтов в каменных углях
Бассейн,
месторождение
Донецкий
!к>лынское
Западный Донбасс
Кузнецкий:
кольчушнекая
серия
балахонская серия
Карагандинский
Печорский
Витринит
75-95
64-88
44-68
77-90
20-70
40-80
65-81
Фннннит
(семивптрнннт)
4-18
9-27
15-35
5-15
A,5-5,5)
20-70
E-20)
8-40
A-13)
8-25
A-9)
Лейптинит
1-7
3-9
12-26
2-S
от следов
до 3
1-18
2-9
Петрографические составляющие различаются по прочности.
Дюриты, например, имеют прочность на сжатие в 10-20 раз больше, чем
витриниты [6]. Прочность составляющих зависит также от стадии
метаморфизма: снижается при переходе от газовых углей к жирным и
повышается к тошим и антрацитам [10,11]. Сильно отличаются по
физико-механическим свойствам разновидности углей Кузбасса,
имеющие нерегулярно-полосчатое строение. Особенно прочным в этих
уг.чмх является материал матовых и полуматовых прослоек. Большое
количество углей, добываемых открытым способом, состоит полностью
из прочных матовых и полу матовых разновидностей [12].
Неоднородность химического строения углей
Результаты физико-химических исследований, являющиеся
отражением химического строения углей, указывают на существенные
различия у разных групп составляющих его микрокомпонентов [13-15].
Так. наиболее высокую массовую долю углерода (~ 89%) и
наименьшую - водорода (-3%) имеег фюзинит. Лейптинит, наоборот,
отличается более высокой массовой долей водорода, но меньшей
углерода. Витринит занимает промежуточное потожение. Вместе с тем,
имеются различия элементного состава и свойств внутри групп
микрокомпонентов, в частности витринмта [15,16]; в зависимости от
16
I. tJcnoeiii inen/mu теряюхчл in ческнх
1.2. Предстоя шипя п структур и химическом строении v.nett
17
степени метаморфизма и восстановленное™ массовая доля углерода в
витрините колеблется от 78 до 91%, а водорода от 4,1 до 5,4%.
Микропетрографические исследования показывают, что микро-
микрокомпоненты, принимаемые за мацералы, т.е. за физически и химически
однородные минералы, являются в действительности неоднородными.
Чем при большем увеличении рассматривать мацералы под мик-
микроскопом, тем большее число составляющих вскрывается в каждом из
них [16].
Исследования по распознаванию химического строения вещества
угля ведутся длительное время. Однако до настоящего времени не
сложилось приемлемою представления о структурных единицах макро-
макромолекулы угля (фрагментах) и связях между ними, совершенно
недостаточно изучена надмолекулярная структура углей. Эволюция
накопления знаний и представлений о химическом строении yuief-i
рассмотрена в работе [17].
Выполнение исследований на разных углях и с применением
различных методов приводит иногда к существенным расхождениям по
главным вопросам химического строения углей. В частности это
относится к степени ароматичности углей. 'Гак, Гивен [18] считает, что
70-80% атомов углерода находится в ароматических кольцах, 20-30%- в
нафтеновых с 5-7 атомами и алкильными радикалами, которые сами
связаны с ароматическими кольцами. Ароматические кольца являются
большей частью конденсированными, образуют ядра нафталина,
фенантрена, пирена и др. Возможно, существуют ядра еще большею
размера [19]. Оелерт [201 показывает значительно меньшую степень
ароматичности - 50-60%. Он также обнаружил, что при повышении
степени метаморфизма возрастает число связей С-!1Щ,. Особенно резкое
их нарастание происходит при переходе от газовых к жирным углям. Для
углей с выходом летучих веществ 20-28% количество Си/, меняется
незначительно. При снижении выхода летучих от 20 до 10% снова резко
повышается количество Сар.
Структурные фрагменты обычно связаны между собой при
помощи СНГгрупп, эфирных и тиоэфирных связей, атакже гетероциклов
в макромолекулы, масса которых достигает нескольких тысяч. Так, по
Драйдену [17], из растворов, полученных деструктивным растворением
углей, были выделены промежуточные фракции с молекулярной массой
(М) от 1000 до 6000. Значительная часть органического вещества углей
осталась нерастворенной. что свидетельствует о еще более высокой
молекулярной массе.
Вместе с тем, в витринитах углей имеется значительное
количество (до 23%) веществ с VI< 1000. Эти вещества извлекаются
вакуумным пиролизом и экстрагированием низкомолекулярными раство-
растворителями [21]. Они условно могут быть разделены на две составляющие:
первая — асфальтены, состоящие из ароматических и частично гидри-
гидрированных соединений, содержащие кислород в фенольных гидроксилах,
хиноидных группах и эфирных связях; вторая — алифатические и
ароматические углеводороды с меньшим, чем в первой, количеством
кислорода. Установлено, что первая составляющая, содержащая феноль-
ные гидроксилы, является пластификатором и влияет на спекаемость
углей.
Количество кислорода, входящего в функциональные группы,
резко уменьшается при переходе от газовых углей к жирным и коксовым.
Из этого был сделан вывод, что происходит уменьшение фенольных
гидроксилов вследствие образования эфирных связей. Об этом сви-
свидетельствуют данные, приведенные в работе [22]. Установлено, что в
первичной смоле угля Г6 ш.Комсомолец количество фенолов составляет
5,6%, а в смоле угля 1Ж26 2,62%.
Имеются работы, также показывающие наличие связи между
количеством фенольных гидроксилов и епекаемоетью углей [23-26]. В
работах [27,28] установлена связь между епекаемоетью углей и массовой
долей активного водорода, в частности, выделяющегося при дегидри-
дегидрировании гидроароматических соединений.
Сложным оказалось изучение межмолекулярных взаимодействий,
определяющих надмолекулярную структуру углей. Имеющиеся сведения
носят описательный характер вследствие большой трудности интерпре-
интерпретации результатов физических исследований углей [29-321.
Таким образом, по химическому строению каменные угли пред-
представляются весьма сложными высокомолекулярными системами, осно-
основой которых являются разнообразные первичные структуры с конден-
конденсированными ароматическими и гидроароматическими ядрами, связан-
связанными друг с другом эфирными, тиоэфирпыми, алифатическими,
гетероциклическими и другими соединительными звеньями. Первичные
структуры в макромолекулах существенно меняются при переходах от
газовых углей к жирным и от тощих к антрацитам, и эти переходы
обусловливают многие свойства углей, в частности их спекаемость.
Из приведенного анализа следует, что как по физической струк-
структуре, так и по химическому строению каменные угли представляют собой
весьма неоднородные материалы, и их технологические свойства не пре-
представляется возможным предсказывать только на основе теоретических
знаний. В особенности это относится к области термической переработки
углей. В связи с этим, применение для коксования широкой гаммы углей
выдвигает главную задачу технологии — преодолеть отрицательное
влияние неоднородности угольного материала,
рациональной локализации в производстве металл /ргичеексуо кокса.
библиотека
ОАО « Алтай-кокс «
18
ivf).\tfмимических и/мм/ки/тапий калкчишх yf.wii
1.3. Единая классификация каменных углей
Применяемые до недавнего времени бассейновые классификации
углей не отражают действительные их технологические свойства. На их
основе нельзя сравнивать угли одинаковых марок и технологических
групп разных бассейнов. Многие коксохимические предприятия вклю-
включают в состав шихт угли двух-трех и более бассейнов, которые
отличаются по петрографическим характеристикам, а' концентраты
крупных обогатительных фабрик, выпускаемые одной определенной
маркой, являются сложными смесями разных шахт и шахтопластов.
Поэтому шихты, составленные по бассейновым классификациям не
давали правильного представления о действительном участии в шихте
углей определенных стадий метаморфизма и петрографического состава.
В соответствии с единой классификацией (ГОСТ 25543-88) все
угли: бурые, каменные и антрациты классифицируются по генетическим
и технологическим параметрам, позволяющим оценить их наиболее
общие характерные признаки: стадию метаморфизма, петрографический
состав и степень восстановленное™.
Стадия метаморфизма устанавливается по отражательной способ-
способности витринита (R,,). Сущность метода заключается в измерении и
сопоставлении электрических токов, возникающих в фотоэлектронном
умножителе при отраженном свете от полированных поверхностей
образца (аншлифа-брикета) и образца сравнения (лейкосапфира, опти-
оптических стекол). Показатель отражения витринита для каменных углей
находится в пределах от 0,40 до 2,59 (включительно).
Состав чистого угля представляет собой сумму микроком-
микрокомпонентов:
Vt
S, = 100%
По особенностям влияния на формирование структуры кокса
микрокомпоненты подразделяются на две основные категории:
L+\/3S,)
2/3 S,) = 100%
Сумма (F + 2/3 S,) - это фюзенизированные (отощающие)
микрокомпоненты - ^ ОК, в практике носящие название инертинита
(In). Сумма (У/ + L + 1/3 5|) - это микрокомпоненты, определяющие
спекаемость углей.
В единой классификации применяемые для производства
металлургического и специальных видов кокса угли делятся по маркам,
группам и подгруппам (табл. 1.3). Каждый уголь характеризуется
кодовым номером из I I цифр, в котором отражены значения 8 основных
параметров: 4 генетических и 4 технологических.
1.3. tutnttuM K.iuccinl>nKutfitu кчлкипыхyr.i
19
Таблица 1.3
Единая маркировка углей по ГОСТ 25543-88
Марки
д
ДГ
г
гжо
1 Ж
ж
кж
ОС
к
ко
КС
ксн
тс
ее
т
Группа
_
_
1Г
2Г
1ГЖО
2 ГЖО
1 ГЖ, 2ГЖ
1Ж. 2Ж
_
IOC
IK
2К
IKO
2КО
IKC
2КС
ICC2CC, ЗСС
IT
2Т
Подгруппа
ДВ
ДГВ, ДГФ
1ГВ, 1ГФ
2ГВ, 2ГФ
1 ГЖОВ, 1ГЖОФ
2ГЖОВ, 2ГЖОФ
_ -_
_ _
_ _
ЮСВ, ЮСФ
1KB, 1КФ
2KB, 2КФ
1 КОВ. 1КОФ
2КОВ, 2КОФ
1 КСВ, 1КСФ
2КСВ, 2КСФ
КСН В, КСНФ
ТСВ, ТСФ
- —
ITB, 1ТФ
2ТВ, 2ТФ
Примечание: К - коксовый. Ж - жирный. Г - гаювый. КЖ - коксовый жирный. ГЖ -
газовый жирный. Д длшшопламенный. Т-тощий. С'- спекающийся. О -отощенмый. Н-
нткоме-таморфгаовапиыи. В - вишринитовып. Ф - фюзшштовый. Из этих обозначений
формируются все обозначения (например. КСНВ-коксовый. спекающийся, низкоме-
тамореричоеанный. вшпрюштовыц).
По комплексу технологических свойств применяемые для
коксования угли оцениваются коэффициентами по отношению к хорошо
коксующемуся углю марки КЖ, коэффициент ценности для которого
принят за I (табл. 1.4).
= 0,1
К - коэффициент коксуемости при ^ ОК = 28% (средне-
(средневзвешенное значение для предприятий РФ); У- толщина пластического
слоя, мм; С,'А"'- поправочный коэффициент по выходу летучих веществ.
20
I. Осшшы тс'прин т(.'1шпхилтч<.\инх н/хнн'нкаипйшт каменных yr.ieil
Таблица 1.4
Показатели ценности углей как сырья для коксования
Марка,
группа
ДГ
1Г
2Г
1ГЖО
2ГЖО
1ГЖ
2ГЖ
1Ж
2Ж
КЖ
IK
2К
1КО
2КО
КСН
IKC
2 КС
IOC
2ОС
ТС
СС
R,,
0,65
0,75
0,70
0,70
0,90
0,70
0,90
1,00
1,00
1,10
1,15
1,50
1,00
1,25
0,90
1,25
1,50
1,50
1,70
1,70
1,20
Y,mm
9
12
16
16
13
23
21
16
23
20
15
15
12
12
9
-9
9
11
II
4
4
К
2,9
3,7
3,0
3,0
5,3
3,0
5,3
5,5
5,5
5,8
6,0
6,3
5,8
6,3
5,3
6,4
6,3
6,3
5,3
5,3
6,3
С**
_
_
_
_
-
1,19
1,19
U9
1,33
1,33
1,33
1,45
1,45
1,78
1,78
2,00
1.45
п„
3,40
5,55
6,24,
6,24
6,89
8,97
11,13
8,80
12,65
13,11
10,71
11,25
9,26
10,05
6,34
8,35
8,22
12,34
10,38
4,34
3,65
0,26
0,42
0,48
0,48
0,53
0,68
0,85
0,67
0.%
1,00
0,82
0,86
0,71
0.77
0,48
0.64
0,63
0,89
0,79
0.32
0,28
Принимая за единицу максимальное значение Пц для марки КЖ,
рассчитывают значения относительной ценности /7„.,(. для каждой марки
или группы. По этой же методике могут производиться расчеты
технологической ценности для конкретных углей и угольных шихт. В
последнем случае интегральный показатель ценности определяется на
основе показателей ценности каждого компонента шихты и процента
участия его в шихте.
CJ"J =-
v"'' марки Ж
v' ¦' данной марки, группы
С повышением степени метаморфизма каменнных углей,
выражающемся в уменьшении выхода летучих веществ, содержание
углерода растет, а водорода и кислорода - снижается. Однако, при
/. 1. ijniuutt июсст/тмщня каменных yr.'K
21
одинаковом выходе летучих веществ, особенно у малометамор-
физованных углей, отмечается значительное различие в содержании
углерода, водорода и кислорода. Причина этих различий объясняется
разным петрографическим составом углей и разным элементным
составом групп микрокомпонентов (табл. 1.6).
Таблица 1.5
Характеристика некоторых углей
Кузнецкого и Карагандинского бассейнов
Уголь, шахта, ОФ
Кущс-цкнй
ОФ им Кирова
ш.'Тасмадская"
ГОФ "Томусннская"
ГОФ'Ан-жерская"
Карагандинский
ГОФ "Саранская"
ш "Топарскяя"
Map
кя
Гб
Г17
К
ОС
КЖ
ОС
Техни-
Технический
ан:|,||П,
%
Аа
«.2
7.6
8.4
9.2
10,5
10,2
\*"
41.1
J7.2
21.5
14.2
28.6
15.3
Элементный состав,11
С"
82.31
85.29
89.55
91.25
87.47
90.40
И"
5.47
5.84
5,04
4.41
5.56
4.56
N"
2.73
2.14
2.28
1.96
1.86
1.79
S"
0.74
0.64
0.51
0.45
0.63
1.03
О"
8.25
О.09
2.62
1.9J
4.48
2.22
Петрографический
состав.%
1,
2
1
2
VI
83
83
53
34
73
65
Sv
3
4
16
26
4
9
.In
7
6
25
34
12
18
Mi
5
0
6
6
9
8
R".
%
0.75
0.87
1.35
1.75
1.12
1.69
V.
14
19
II
0
22
6
Mb.
61
III
23
2
98
7
Таблица 1.6
Элементный состав петрографических составляющих донецких углей,%
Уголь
Длинно-
пламенный
Газовый
Жирный
Коксовый
Отощенный
смекающийся
Тощий
Антрацит
Группы микро-
компопентоп
Витринит
Фюзинит
Споры (к)
Витринит
Фюзинит
Споры (к-)
Витринпт
Фюзинит
Споры
Витринит
Фюзинит
Витрннит
ФЮЗИПИ!
Витрннит
Фюзинит
Нитринит
Фюзинит
с:1
76,5-78,5
90,80
76,20
80,0-84,6
89.0
80,1
83,3-86,4
90,4-94,0
84,16
89,3-89,5
92.9
90.0-91,7
94.9-95,5
90,24
95,60
93,55
96,80
Н1
4,97-5,61
3,25
6,98
4,91-5,41
3,15
6,90
5,15-5,24
2,80-3,20
5,%
5,02-5,26
3.97
4.14-4,57
2,6-2,7
3,94
2,46
2,03
2,73
О'
15,9-18,6
5,97
16,90
10,5-14,6
7,85
13.0
10,5-14,6
2,9-6,4
9,88
5,47
3,15
3,71-5.83
1.9-2,4
5,82
1.94
4,24
1.47
22
I. ()с§юаы теории П1ец\шхилшч*:ских мре<и>раммшшш каменных twi
Таблица 1.7
Распределение петрографического состава
по плотности фракций углей [33]
Нгходшмй уюль
(концентра:),
плотность
фракции,r/CMJ
Ш. им. 7 Ноября, Г
(Ro=0,6%)
<1,25
1,25-1,27
1,27-1.30
1,30-1,35
1,35-1,40
>1,40
ОФ "Беловская", Ж
(Ro=0,9%)
<1,25
1,25-1,27
1,27-1,30
1.30-1,35
1,35-1,40
>1,40
Ш. Центральная, ОС
(RO=I,37)
<1,25
1,25-1,27
1,27-1,30
1,30-1,35
1,35-1,40
V", %
39,7
43,6
41,3
40,4
39,7
38.3
38,4
35,3
36,1
34,9
34,8
35,0
34,5
-
20,6
22,1
22,0
20,8
19,7
20.0
Y,mm
10
-
1 1
10
10
10
-
28
-
35
26
27
-
-
Ив,мм
19
132
74
19
5
Vt, %
82
90
89
88
75
71
50
80
90
91
88
78
69
63
46
95
89
75
49
37
F, %
5
2
2
4
13
13
25-
8
2
1
5
9
13
17
27
3
5
15
33
40
Ml,%
9
2
2
2
3
5
14
6
3
4
2
6
10
15
12
- 1
1
1
2
5
we
0,903
0,899
0.846
0.850
0.834
0,812
-
0,837
0,784
0,812
0,812
" 0,781
0,785
-
0,645
0.68;
0,670
0,639
0,644
0,645
o/c:
0,096
0,085
0,092
0,091
0.089
0,085
0,039
0,04 i
0,041 I
0,040
0,038
0,038
0,026
0,026
0,024
0,024
0,022
0,025
1.4. Международная класснфикация каменных углей
В международной классификации, принятой Европейской
экономической комиссией ООН и 1956 году, угли разделялись на классы
по выходу легучих веществ и теплоте сгорания. Классы подразделялись
на группы по спекающей способности, оцениваемой показателями
вспучивания и индексом Рога. Группы разделялись на подгруппы по
1.4. Мнясауиа^Миая классификации каминныхy.\mil
коксующей способности, определяемой по показателю Грей-Кинга и
дилатометрическому показателю.
По этой классификации угли имеют трехзначные коды: первая
цифра показывает классы углей по возрастающему выходу летучих
веществ, а для углей с высоким выходом летучих веществ - по убыва-
убывающей теплотворной способности; вторая цифра обозначает группу по
спекаемости, а третья — подгруппу по коксуемости.
В настоящее время количество показателей, используемых для
оценки углей, значительно расширено. Для характеристики стадии мета-
метаморфизма во всех классификациях применяется /?„-средняя отражатель-
отражательная способность витринита, которая более точно, чем выход летучих
веществ, характеризует стадию метаморфизма, а также используется
показатель петрографического состава.
Международная классификация, принятая в 1988 году и имеющая
важное значение для международной торговли углем, включает 8 пара-
параметров, характеризующих уголь для различных областей его применения
( табл. 1.8).
По этой классификации разделяются угли высоких, средних и
низких рангов. Граница между углями различных рангов устанавливается
по приведенным ниже показателям:
— углями низкого ранга считаются угли с высшей теплотой сгорания (на
влажное беззольное вещество) менее 24 МДж/кг и средним показателем
отражения витринита /?„ менее 0,6 %;
— углями более высокого ранга считаются угли с высшей теплотой
сгорания равной или более 24 МДж/кг, а также с высшей теплотой
сгорания менее 24 МДж/кг при условии, что средний показатель
отражения витринита равен или превышает 0,6 %.
Основные параметры классификации. Для характеристики
углей среднего и высокого рангов используется 14-значный код,
основанный на следующих параметрах угля, которые позволяют
получить информацию о ранге, типе и марке угля:
— средний показатель отражения витринита, /?,„% -две цифры
— характеристика рефлектограммы - одна цифра
— характеристика мацерального состава - две цифры
— индекс свободного вспучивания - одна цифра
— выход летучих веществ на сухое беззольное вещество
(% к массе) - две цифры
— зольность на сухое вещество (% к массе)
-две цифры
24
I. Оснты nwttfiHii тецшгх11.\шч<!екнх n
Таблица 1.8
Международная классификация каменных углей
Группы углей по
спекаем остм
И
¦е-
S
я
я
1
1
Определя-
Определяющий
покаштель
»
И
Я 7
g =
2
я
к
S
!¦
S
т
3
3 ^4 >45
2 2.5-4 20-15
1 1-2 5-20
0
О-0.5
0-5
Классы углей
(первая цифра
кода)
1ход летучих
веществ. %
Теплота сгоранщ.
к кал'к i
4
0
0-3
5
100
В
3-10
3-
6.5
6.5-
10
6
212
211
200
2
10-14
Калиф
7
334
333
332А
332В
323
322
321
312
311
300
3
14-20
14-
16
16-
итяиа
8
435
434
433
432
423
422
421
412
411
400
4
10-28
«ный номер
ч
535
534
533
532
523
522
521
512
511
500
5
28-33
10
635
634
633
632
623
622
621
612
ы 1
600
6
>33
>775О
II
733
732
723
722
721
712
711
700
7
>33
>7200
до
7750
12"
832
823
822
821
812
811
800
8
>33
-6100
до
7200
13
<хю
о
>33
>57О0
до
"&I00
Подгруппы углей
па коксуемости
я
с
-а-
S
Третья и
14
5
4
3
2
3
2
1
2
1
Определмю-
щий
показатель
н
15
>|40
50-140
0-50
<Й
0-50
<A
Дает
только
усадку
<й
Дает
ТОЛЬКО
усадку
Спека-
Спекается
16
G8
O5-G8
GI-G4
E-G
GI-G4
E-G
B-D
E-G
E-D
Примечание. Пробы угля, подвергаемые аналту. должны иметь зольность не более 10%. в
прошивном случае они должны быть предварительно одогснцены.
Выход летучих веществ должен определяться на лабораторной
пробе с зольностью менее 10%. При зольности угля более 10%
необходимо ее снизить в лабораторных условиях путем обогащения в
тяжелых средах. В этом случае следует указывать плотность разделения и
зольность.
25
Параметры угля кодируются в следующей последовательности:
— первые две цифры кода обозначают отражательную способность витри-
нита, соответствующую нижнему пределу 0,1%-ного диапазона значе-
значений среднего показателя отражения витринита, умноженному на 10;
— третья цифра дает характеристику рефлектограммы;
— четвертая и пятая цифры обозначают индекс состава мацеральной
группы, а именно: четвертая цифра соответствует нижнему пределу
:0%-ного (абсолютная величина) диапазона значений содержания
инертинита (без минеральных веществ), разделенному на 10, а пятая
цифра обозначает верхний предел 5%-ного (абсолютная величина) диа-
диапазона значений содержания липтинига(без минеральных веществ).
, Следует отметить, что некоторая доля инертинита может быть
реактивной;
— шестая цифра обозначает индекс свободного вспучивания, соответ-
соответствующий нижнему пределу диапазона его значений с интервалом 0,5;
— седьмая и восьмая цифры соответствуют нижнему пределу 2%-ного
(абсолютная величина) диапазона значений выхода летучих веществ на
сухое беззотьное состояние при выходе летучих веществ более 10% (в
% к массе) и 1%-ного диапазона (абсолютная величина) при выходе
летучих веществ менее i 0%;
— девятая и десятая цифры соответствуют нижнему пределу 1%-ного
(абсолютная величина) диапазона значений зольности на сухое
вещество (в % к массе);
— одиннадцатая и двенадцатая цифры соответствуют нижнему пределу
0,1%-ного (абсолютная величина) диапазона значений общего
содержания серы на сухое вещество (в % к массе), умноженному на 10;
— тринадцатая и четырнадцатая цифры соответствуют нижнему пределу
диапазона с интервалом ! МДж/кг значений высшей теплоты сгорания
на сухое беззольное вещество (МДж/кг).
Необходимость выделения реактивного инертинита указывает на
недостаточность параметра, характеризующего только количество этого
мацерала. Ведутся поиски показателя, который бы характеризовал его
свойства, а также разграничивал бы витринит по степени вос-
становленности.
1.5. Угольная сырьевая база коксования
Основными поставщиками коксующихся углей для производства
доменного кокса в России являются угледобывающие и перераба-
перерабатывающие (обогатительные фабрики) предприятия Кузнецкого и
Печорского бассейнов. Это не исключает использования на коксо-
26
I Ренты ttienjititi ти/шогимичесюиг H[K(mixiiiir<ainiii каис'ннш' ys.Mtu
химических предприятиях России углей Карагандинского и других
бассейнов.
Кокс, отвечающий требованиям доменного производства, может
быть получен из смеси марок углей как одного, так и нескольких
бассейнов. Состав шихт для коксования определяется качественными
характеристиками углей, объемом их добычи, существующими грузо-
грузопотоками, сложившимися связями предприятий, ценой и многими
другими конъюнктурными обстоятельствами. Предусмотреть и учесть
все факторы, которые могут определить по набору конкретных углей
перспективную шихту предприятия будущего с учетом действующих
коксохимических предприятий, практически невозможно. Однако, исхо-
исходя из имеющихся научных разработок, требований к качеству кокса и
практики коксового производства, можно спрогнозировать марочный
состав шихты будущего, которая в перспективе позволит обеспечить
получение кокса для доменного производства.
Основой для прогнозирования такого состава шихты является, в
частносги, предложенный в БУХИНе подход [33], основой которого
является разделение углей различных марок бассейнов на группы по
коксуемости, т.е. С учетом свойств, характеризующих поведение углей
при коксовании. По принятым критериям (табл. 1.9) выделяются три
группы углей: хорошо коксующиеся, слабококсующиеся и некоксу-
некоксующиеся. В группе хорошо коксующихся выделена подгруппа углей,
определяющих спекаемость шихт. К ней отнесены угли, без которых по
традиционной технологии подготовки шихты и ее коксования невоз-
невозможно получить кокс, отвечающий требованиям современного домен-
доменного производства.
В табл. 1.10 представлены данные распределения марок углей по
группам коксуемости в соответствии с бассейновой классификацией [33],
а в табл. 1. 11 [34] по пяти бассейнам с перемаркировкой углей на единую
классификацию в cootветствии с ГОСТ 25543-88.
Таблица 1.9
Группа углей по
коксуемости
Хорошо kokcvioiUhcc» ¦
в Том числе определяющие
•• . спекаемость шихты •
Слабококсугащиеся '
Некоксующисся
Критерии
Обраювание кускового
кокса при
индивидуальном
коксовании
Образуется
Образуете»
Образуется
Не образуется
Максимальная прочность
кокса при индивидуаль-
индивидуальном коксовании, либо п?
смеси с присадочным
компонентом
М25>82%;М[0<11а/о ;¦
М25>87%:МЮ<7<9%
. М25<82%;М10>1,1%;; '
-
27
Количественная оценка технологической ценности каждой из
марок углей для получения кокса, на основе которой может быть
построена их группировка, должна характеризовать коксуемость углей,
выход валового и металлургического кокса. В качестве комплексного
принят [35,36] критерий технологической ценности К„,.ч. Максимальному
значению К„и, = \ соответствует пригодность угля как компонента шихты
для производства кокса, характеризующегося наименьшим расходом в
металлургических процессах и обеспечивающего максимальную
производительность агрегатов.
Коэффициенты технологической ценности марок углей (клас-
(классификация по ГОСТ 25543-88), методически обоснованные и уста-
установленные в работах [35,36], представлены в табл. 1.12
Граничными коэффициентами для группы "особо ценные (хорошо
коксующиеся)'", подгруппы '"определяющие спекаемость", групп '"цен-
'"ценные (слабококсующиеся)" и "некоксующиеся" приняты, соответственно,
значения К1Ц: 1,0; 0,85; 0,65; 0,45 (табл. 1.13). Угли последней группы
могут применяться либо в ограниченных количествах в шихтах высокой
коксуемости в условиях классического процесса коксования и в большем
количестве - с применением специальных процессов подготовки и
коксования, либо полностью служить сырьевой базой коксования в
новых процессах производства кокса.
Таблица 1.10
Бассейн,
месторож-
месторождение
Кузнецкий
Караган-
Карагандинский
Печорский
Кизеловский
Донецкий
Львовско-
Волынскнй
Ткибульское и
Ткварчель ское
Марка
угля дли
коксо-
коксовании
Г6,П7,ГЖ,
Ж,КЖ,К,К2,
СС.ОС.Т
КЖ, К, К2,
ОС
Ж, Жаоог», К
Г, Ж
1 , ("Ж. Ж,
к, ос, т
еж, ж
Г, Ж. КЖ
Группа по коксуемости
Хорошо коксующиеся
Все
Г17.Ж, КЖ,
К
КЖ, К
ж, к
ж
ж, к
гж.ж
Ж. КЖ
втом числе
определя-
определяющие
спекаемость
ШИХТ
Ж
КЖ
ж, к
ж, к
ж .
Ж, КЖ
Слабо-
коксую-
шиеся
Г6, ГЖ, К2
К2, ОС
Жворг»
г
Г, ГЖ, ОС
-
г
Некоксу-
ющиесн
сс ос, т
-
_
_
т
-
-
* Воргаиюрские
28
I. Ранты ineo/mtt mvii.\utxHMii4t!ciaix nijeon/iaiiwaiiitfi Kti-uetmtuxy?.ieit
В табл. 1.14 представлен усредненный по России и Казахстану
оптимальный состав угольных шихт для производства доменного и
литейного кокса [37]. На основе этих базовых данных необходимый
оптимальный состав среднересурсной шихты коксохимпроизводства
будущего может быть установлен по заданному соотношению на
требуемый период времени, исходя из объемов производства кокса.
Естественно, что от марочного состава можно перейти к конкретным
поставщикам угля, зная объемы его производства и качество.
Таблица 1.11
Бассейн,
месторождение
Кузнецкий
Карагандинский
Печорский
Кичеловский
Месторождения
Грузии
Бассейновые классификации
марка
Г6
П7
Ж
КЖ14
К
КЖ6
К2
ОС
СС
т
кж
к
К2
ОС
ж
гжо
к
г
ж
г
ж
%*
11,5
20,0
19,1
1,3
27,1
1,0
15,8
2,7
0,9
0,6
45,2
38,5
3,9
12,4
82,7
11,7
5,6
27,6
72,4
71,4
28,6
Единая классификация (ГОСТ
25543-88)
марка
Г
ПК
ж
к
к
ОС
ко
ко
КС
ксн
тс
СС
тс
т
кж
к
ко
ОС
ж
гжо
к
г
гж
ДГ
ж
%
11,5
20,0
19,1
1,3
6,4
15,6
5,1
1,0
15,7
0,1
2,7
0,7
0,2
0,6
45,2
38,5
3,9
12,4
82,7
11,7
5,6
27,6
72,4
71,4
28,6
*) Bet поставок углей на заводы Украины
I.S. У.чпыюя сырнсвая бим кгмхпватя
29
Таблица 1.12
Бассейн,
месторождение
1
Все
перечисленные в
табл. 1.8
Итого
Итого
Итога
Итого
Всего
Бассейновые
классификации
марка
2
Г
ГЖО
Г17
Ж
ж
кж
КЖ14
К
КЖ6
К2
ОС
СС
т
% в общих
ресурсах
3
7,8
1,8
12,9
0,6
25.2
8,5
0,8
25,6
0,7
11,0
4,1
0,6
0,4
Единая классификация (ГОСТ 25543-88)
марка
4
ДГ
Г
гжо
гж
гж
гж
ж
кж
к
к
к
ОС
ко
ко
ко
ко
КС
ксн
ОС
тс
тс
тс
СС
т
100,0
% в общих
ресурсах
5
0,1
7,7
1,8
12,9
0,6
13,5
25,2
8,5
0,8
12,2
13,0
10,1
3,3
0,7
0,7
4,7
10,2
0,1
2.3
1,8
0,1
1.9
0,5
0,4
100,0
Коэффициент
технологической
ценности K,.IL
6
0,45
0,50
0,65
0,80
0,85
1,00
0,90
0,75
0,65
0,55
0,45
0,40
-0,15
-0,05
Имеющиеся мощности по производству кокса в РФ позволяют
получить в 2000 г -35,0 млн. т валового кокса 6%-й влажности, а в 2005 г
~ 37,0 млн. т. Потребность в шихте для коксования на эти периоды
составляет, соответственно, 46,0 и 50,0 млн. т.
Существующие мощности по добыче и обогащению углей, по
выполненным расчетам, не обеспечивают указанные объемы
производства кокса. Дефицит шихты (концентратов) составит в 2000 г 5,0
30
imi таринхнмнчеукнх npetinpuiimannii ка\и'ичыхyAieit
млн. т, а в 2005 г ~ 10,0 млн. т. Наиболее дефицитными являются угли
группы хорошо коксующихся и, в том числе, определяющие спекаемость
шихт.
Таблица 1.13
Параметры
Пределы
коэффициентов
технологической
ценности К,„ марок
ушей по группам
Выделяемые марки углей
для коксования (ГОСТ
25543-88 )КЖ, К", Ж, ПК,
ОС, ГЖО, КО.Г, КС,
ксм.дг, тс, ее, тд
Группы углей по технологической ценности
особо ценные
(хорошо коксующиеся)
всего
1,0-0,65
КЖ, К, Ж,
ГЖ, ОС,
КО
в т.ч.
определяю-
определяющие спекае-
мость шихт
1,0-0,85
КЖ, К, Ж
ценные
(слабо-
(слабококсующиеся)
0.65-0,45
ГЖО, Г, КС,
ксн
некоксую-
щмеся*
0,45-(-0,15)
дг, тс, ее,
т,д
*) Могут применяться в ограниченном количестве в шихтах высокой коксуемости и в
специальных процессах подготовки и коксования
1.6. Термохимическое преобразование углей
При подготовке у глей к коксованию, в особенности с применением j
нагрева, а затем в камерах коксовых печей, уголь подвергается
механическому разрушению, испытывает термомеханические и
термохимические воздействия. Эти процессы протекают в условиях
различной газовой среды. Но, поскольку уголь является полимером с
лабильной гидроароматической структурой макромолекул, в которой
активную роль играют водородные связи [17], газовая среда должна
оказывать влияние на свойства поверхности зерен углей [38-45], что, в
свою очередь, не может не сказаться на их спекаемости. Следовательно,
влияние газовой среды представляется интересным прежде всего для
практики, так как в разработках многих процессов подготовки углей
активная роль отводится газовому агенту-носителю как в холодном так и
в нагретом состоянии. Вместе с тем, этот вопрос имеет теоретическое
значение, поскольку позволяет изучить физическое и химическое
взаимодействие активных составляющих i ;повой среды с доступной
поверхностью угля и влияние на его спекаемоеть.
Преобразование вещества углей протекает по стадиям в
зависимости от скорости нагрева, температуры, газовой среды и
I.A. Те/шихимнчускос п/к'пп/шикилтеулн
31
давления. В отличие от высокомолекулярных веществ, которые
упрочняются при начальном нагреве до 300°С, прочность углей, как
правило, снижается.
Таблица 1.14
Усредненный оптимальный
состав угольной шихты, %:
ДГ
Г
ГЖО
ПК
ж
КЖ
к
ко
ксн
КС
ОС
тс
ее
Всего
Усредненный оптимальный
состав угольной шихты по
группам тех поло: ической
ценное ш, %:
особо ценные (хороню
коксующиеся)
в том числе определяющие
спекаемость шихт
ценные
(слаГюкоксу ющиеся)
некоксующиеся
Вид кокса
доменный
-
3
3
16
24
14
14
4
-
12
10
-
-
' 100
82
52
18
-
ЛИП'ЙНЫЙ
-
-
3
II
31
-
12
5
-
24
14
-
-
100
73
43
27
-
1.7. Изменение прочности углей при измельчении и
нагреве
Исследование прочности углей при измельчении и нагреве в
разных газовых средах выполнены на установке автора (рис.1.1)[46].
Основным элементом установки является стальной цилиндр 5, имеющий
32
I. Осшнил теории пщххюхимичесыих н/кчм'нхгмм/аина каменных jv.w»
—-н- 1
cej
/. 7. Uiueticnite п/ючшкяг' ys.wfi при шчсигчешт в
33
внутренний диаметр 25 мм и высоту рабочей части 300 мм, с пятью
стальными шарами диаметром 15 мм. Ось, на которой вращается
цилиндр, полужесткой муфтой соединяется с приводом и счетчиком
оборотов и имеет сквозной канал диаметром 1 мм для подвода и отвода
газов. Обогрев цилиндра производится двумя параллельно располо-
расположенными блоками (подвижным и неподвижным), в рабочем положении
образующими замкнутое пространство.
Испытанию подвергается 50 cmj фракции углей с размерами зерен
3-6 мм. Загруженный в цилиндр вместе с шарами уголь нагревается с
заданной скоростью до температуры испытания, выдерживается в
течение 5 мин. С началом испытания в цилиндр подается газовая среда,
температура в печи поддерживается на заданном уровне. После 1000
оборотов испытание заканчивается.
Прочность углей оценивается по выходу класса > I мм от исходной
навески. Опыты проводили при температурах, позволяющих характе-
характеризовать изменение прочности углей в промышленных аппаратах (от 20
до 250°С), влажность меняли от 0 до 8 %. Прочность углей предва-
предварительно определяли также по методу ВИМС. Испытаны угли разных
бассейнов (табл. 1.15) [47].
Таблица 1.15
Характеристика исходных углей
Бассейн,
шахта,ОФ
Кузнецкий
Ш им. Кирова
ЦОФ "Беловская
Ш Сев Маганак
ОФ "Коксовая"
Г'ОФ "Анжерская"
Донецкий
Ш. Родненекая
Карагандинский
Ш. Молодежная
Печорский
Ш .№ 17
Марка
Г6
Ж
юк
к
ОС
Г6
кж
гжо
Технический
аналнз,%
А"
8,0
11,8
9,3
6,7
10,5
5,6
8,2
12.5
yilaf
40,4
34,2
26,6
17,6
14,7
33,4
30,6
32,5
Пласт ометрические
показатели, мм
X
43
17
30
28
32
37
32
V
14
26
14
8
15
16
16
Прочность
гоб/дм2
27,7
18,9
20,6
22,4
26,2
34,1
32.3
21,1
При снижении влажности и увеличении температуры нагрева
закономерно снижается прочность углей. Последовательность располо-
расположения показателей прочности сохраняется во всех диапазонах изменения
влажности и температуры нагрева, что свидетельствует о решающем
34
I. Ренты mtin/nm мерчааитческих /i/K'rw/iujrwa/ooi кахкииихy,vieii
влиянии на прочность структуры угля (рис. 1.2). Исключение составляют
газовые угли, прочность которых при повышенной влажности больше,
чем у другие
Изменение влажности кузнецких углей оказывает большее вли-
влияние на прочность, чем глубина нагрева. В наибольшей мере снижается
прочность углей марок Г и Ж - больше чем в два раза при испытании с
нагревом до 250°С. Снижение прочности в зависимости от влажности,
вероятнее всего, связано с уменьшением поверхностного натяжения
пленок менисков воды, смачивающей стенки капилляров, которые вы-
выполняют роль добавочных звеньев прочности[48]. Капиллярная составля-
составляющая должна возрастать с уменьшением степени метаморфизма, поэтому
вполне объяснимо более резкое снижение прочности газовых углей.
С повышением температуры нагрева тепловая энергия расходуется
на разрыхление пространственной структуры элементарных единиц, что
приводит к дальнейшему снижению прочности углей.
При испытании угольной шихты, разделенной на фракции по
плотности получены следующие результаты ( табл. 1.16). Породная и
промпродуктовая фракции при нагревании сохраняют высокий уровень
прочности, в сравнении с основной массой шихты. Вместе с тем,
снижение их прочности при нагреве, по сравнению с фракцией 1,4 г/см3,
90
80
70
60
50
40
30
20
(б
8 6 4 2 100 150 200 250
Влажность, % Температура, °С
8 6 4 2 100 150 200 250
Влажность, % Температура, 'С
Рис. 1.2 Изменение прочности углей е шяисчмосши от их влажности и температуры
нагрева. Угли бассейнов: Кушеикого (а): I ОС. 2 - К2. 3 - /б. 4 КЖ14. 5 - 1Ж26:
Карагандинского. Донецкого. Печорского (б): 6 КЖ. 7 - Г. Я - Ж
1.7. Ишешшнс н/хмиисти y.:iL'it щт тие-шчаши и nurit
35
I
значительно меньше, соответственно 4,2-6,8 и 18%. Отсюда следует
важный практический вывод: с применением классификации углей по
плотности, в том числе при термической обработке, наиболее тяжелые и
труднодробимые фракции целесообразно выводить из шихты, что
позволит снизить ее зольность и повысить спекаемость, или допол-
дополнительно додрабливать эти фракции.
Таблица 1.16
Результаты испытания фракций угольной шихты
Плотность
. фр;1К1П1н,
. i:/cmj
'¦¦"..•¦'.Si .4
.. Л А* 1,8
>1,8
Технический анализ, %
А"
6,5
15,2
30,2
29,4
24,2
16,7
Прочность тсла(%) при
темперап vpe,cC
20
51,6 :"
62,0 '• .-':.
84,6 . ¦
250
42,3
57.8
81,0
Снижение
прочности,
%
18,0
6,8
4,2
I
1.8. Совместное воздействие на измельчаемость углей
нагрева и газовой среды
Одновременное влияние нагрева и газовой среды на прочность
углей в процессе измельчения практически не изучалось. С появлением
разработок по совмещению в одном агрегате дробления и нагрева [49,50]
возникла необходимость в первом приближении оценить воздействие
контакта углей с реальной газовой средой. Испытанию подвергали угли Г
ш. им. Кирова и К ш. Тайбинская. В качестве газовой среды применяли:
аргон, воздух комнатной температуры и диоксид углерода в холодном и
нагретом до 100 и 250°С состоянии с нагревом угля до этих же
температур, а также контрольные опыты - без подачи газовой среды.
Газы подавали в цилиндр установки со скоростью 10 см7мин. Результаты
представлены в табл. 1.17.
Таблица 1.17
Прочность углей при воздействии газовой среды и нагрева, %
Условия опыта (газовая
срела,нагрсв)
lie:! полачи i;na
Аргон
Диоксид углерода, СО2
Uouivx
Угол|, и СО, нагреты до 100°
Уголь и СО; нагреты до 250°
Уголь, класс 3-й мм
ш.нм. Кирова, 1
85,8
85,2
81,4
79,4
53,3
51.8
ш.Танбинскяя, К
80.0
79.6
.78.4
76,1
60.4
;59,6
36
u 1нец\К1Хмлтческ11Х n
i каменных yr:teii
В нейтральной, среде (аргон) произошло некоторое снижение
прочности влажных углей. Такой, на первый взгляд неожиданный,
результат объясняется испарением и уносом влаги с выходящим газом: за
период испытания влажность углей снижается на 1,5-2%. Если
допустить,что аргон является только переносчиком влаги и, вследствие
своей высокой вязкости B2,2 мкПа.с), плохо адсорбируется и мало влияет
на прочность углей, то СО: является более активным адсорбатом. Воздух,
при образовании новой поверхности углей, оказывает еще большее
влияние на их прочность. В данном случае возможно, с одной стороны,
снижение поверхностного натяжения и капиллярного давления воды, с
другой -образование на поверхности угольных зерен химических связей,
приводящих к ослаблению поверхностного слоя. Более того, этот слой,
вследствие испарения с поверхности жидких продуктов в среде газового
теплоносителя имеет, более низкую, чем их внутренний материал,
спекающую активность [5 1].
Таким образом, при нагреве до 200-250°С, вследствие разрыва
водородных, межмолекулярных и частично швалентных связей, сни-
снижается прочность, возрастает реакционная способность углей. Это ведет
к более активному воздействию на них окислительной и восстанови-
восстановительной среды, что может быть использовано в технологических целях.
1.9. Влияние газовой среды и нагрева при измельчении
углей на кинетику их термической деструкции и
спекаемость
Исследование выполнено на производственной угольной шихте
НТМК, обогащенной по плотности <1,4 г/см' и измельченной в
описанном выше аппарате до крупности < 0,5 мм. Условия измельчения: в
среде аргона без нагревания; в среде диоксида углерода при нагреве до
100 и 250'С.
Выполнены следующие исследования проб угольной шихты:
флотируемость, термогравиметрический анализ при скорости нагрева 10
град./мин., спекаемость, коксование в лабораторной реторте до 950°С с
последующим определением модуля упругости (табл. 1.18).
Из представленных данных следует, что повышение температуры
нагрева углей в присутствии даже такого слабого окислителя как диоксид
углерода, на первый взгляд, отрицательно отражается на спекающей
способности углей и делает структуру кокса менее жесткой. Однако
известно, что прочность кокса из термически подготовленных угольных
шихт значительно возрастает. Противоречие заключается в различии
условий пиролиза малых навесок угля в термогравиметрическом анализе
и в промышленном процессе коксования.
1.9. влитие iyjtMtttt среды и иагреяа при ихцЕ'муени» jy.igft щ кинетику их тециическгш Л
37
Таблица 1.18
Результаты исследования угольной шихты,
измельченной в разных условиях
Показатели
Термогравиметрический анализ
Общая убыль массы, %
Энергия активации, F., кДж/моль
Температура убыли массы, °С:
начало
максимум
конец
кинетика убыли массы (в
температурном интераале,°С), %:
<260
260-390
390-510
510-770
>770
Показатели спекаемости:
индекс вспучивания, мм
модуль упругости кокса, мПа
Угольная шихта, измельченная в среде
аргона
23,8
183,8
240
475
645
1,2
0,6
10,6
9,0 '.
1,4
60
726,3 '
СО. при 1004
23,9
177,2
230
474
647
1,3
0,6
10,4
9,0
1,5
57
721,6
COi прн 250°С
24,2 .
160,0
200
465
650
1,8
1,0
9,8
9",0
1,8
53
714,8
2. П.юсптческое аюиомте углей
2. Пластическое состояние углей
При нагревании угли размягчаются и вследствие этого спекаются в
результате деструкции главных цепей их макромолекул, отщепления
кислородсодержащих функциональных групп, разрыва эфирных и
метиленовых мостиков и насыщения образующихся фрагментов водо-
водородом при его перераспределении в процессе пиролиза [1]. Лишь часть
углей способна к размягчению без сколько-нибудь существенной
деструкции [19]. Размягченные зерна под действием сил поверхностного
натяжения, гравитации, давления вышележащих слоев угля и выделяю-
выделяющихся летучих веществ деформируются, при этом образуются и
увеличиваются площади контакта поверхности зерен. Между молеку-
молекулами, находящимися на соприкасающихся поверхностях, действуют
межмолекулярные (вандерваальсовы) силы, а в дальнейшем между ними
образуются химические связи. Эти физические и химические силы
связывают зерна остаточного материала углей в единый массив. Таков в
общих чертах механизм спекания углей [I].
Из сказанного следует, что, при прочих равных, условиях площадь
зон контакта между спекающимися зернами зависит от реологических
свойств материала зерен в период спекания. В первом приближении эти
свойства можно характеризовать коэффициентом пропорциональности
между касательным напряжением и градиентом скорости течения при
одновременном сдвиге материала [52]. Судить о спекаемости углей
можно по вязкости в пластическом состоянии. Для измерения этого
показателя разработаны многочисленные методы [1,19,53]. Основными
их недостатками являются применение в испытаниях углей с низким
верхним пределом крупности (< 1,5 мм) и су щесгвенное отличие условий
нагрева от промышленных.
В зависимости от вязкости пластической массы находится
сопротивление движению газов (газопроницаемость) [54-56]. Последняя
также позволяет оценивать спекаемость углей и, вместе с тем, является
исходным параметром для анализа движения и пиролиза парогазовых
продуктов коксования. Разработанные для измерения газопроницаемости
методы [57,58] обладают практически теми же недостатками, что и
методы определения вязкости. В ВУХИНе созданы новые методы
исследования свойств углей в пластическом состоянии, лишенные
многих us указанных недостатков [59].
При нагреве угля от 300 до 400° неактивный кислород переходит в
состав функциональных групп - ОН и =СО [60], происходит их
•деструкция с образованием воды и оксидов углерода. Одновременно
разрушаются эфирные и тиоэфирные мостиковые связи (С-О-С, C-S-C и
2. П.шстнчесмк' спстпямк yr.ieit '
39
др.), образуются оксиды углерода и водород. Оксиды углерода
появля'отся также при отщеплении карбонильных (хиноноидных) групп
=С=О[60].
При разрыве эфирных мостикооых связен образуются новые
функциональные группы. При этом происходит перераспределение
водорода между образующимися продуктами распада: радикалы, воспри-
воспринимающие водород превращаются в вещества с меньшей молекулярной
массой - парогазовые продукты, а молекулы, отдающие водород,
участвуют в реакциях конденсации [61].
...-RCH - СН, - CHR - CH2R, -»...RC=CH2 + RCH2CH2R,
с образованием соединений с большей молекулярной массой,
образующих твердые продукты.
В интервале 350-550° постепенно нарастает отщепление алкиль-
ных групп СИ], С2Н3, С2Н5 и других более сложных радикалов, заме-
замещающих водород в циклических структурах. К ним присоединяется
водород соединений "доноров" или из газовой фазы. При этом
образуются углеводороды от СН4 до С8Н18. Так, основная часть
углеводородов смолы «ирного угля выделяется в интервале 430-530° и
достигает 75% их ресурсов [62].
Свободные радикалы, возникающие при разрушении мостиковых
связей, представляют собой молекулярные образования ароматической,
алифатической и нафтеновой природы. Они неустойчивы, имеют пысо-
кую реакционную способность и стремятся к стабилизации путем
внутримолекулярной перестройки, а также конденсацией фрагментов
или присоединением атомарного водорода и свободных радикалов [63].
Переход каменных углей в пластическое состояние подобен
химическому течению высокомолекулярных соединений, имеющих
гетероциклическое строение главной цепи. Размягчение этих веществ
начинается вследствие разрыва химических связей, разделения молекул
на бирадикальные обломки, которые, насыщаясь, образуют низкомо-
низкомолекулярные соединения или рекомбинируют с образованием новых
макромолекулярных структур [64].
Пиролиз угля, так же как и органических полимеров, связан с
реакциями гидрирования-дегидрирования. Перераспределение водорода
происходит с меньшей энергией активации, чем его присоединение из
газовой фазы и, следовательно, с наибольшей вероятностью [65].
Поэтому образование свободных радикалов и их насыщение водоро/юм в
процессе его перераспределения считают основной причичоГ: образо-
образования низкомолекулярных пластифицированных веществ, определяю-
определяющих переход углей в пластическое состояние fl,66j.
40
2. П.часпшческ/к ctKnuuunie угжп
Жидкоподвижная часть, извлекаемая центрифугированием при
низкотемпературном нагреве угля, отличается более высоким содержа-
содержанием водорода, чем исходный уголь [67]:
2. Пластическое crKmiwiiie jr.Wfi
41
Исходный газопый уголь
Жидкоподвижная часть
Твердая часть
(одержанне.%
С
82,09
80.69
86,85
Н1
5,41
7,04
3,36
( темен 1.
конденсации
С'/Н'
15,2
10,6
25,8
Способность углей переходить в пластическое состояние повы-
повышается при введении в них веществ, являющихся донорами водорода и,
наоборот, снижается при воздействии дегидрирующих агентов. Имеются
сведения о воздействии катализирующих добавок на процессы перерас-
перераспределения водорода и повышение спекаемости углей [68].
Пластическая масса или пластическое состояние угля - это гете-
гетерогенная система, состоящая из твердых частиц, нелетучих жидкопод-
вижных составляющих и пузырьков летучих парогазовых продуктов,
непрерывно выделяющихся ич системы. Однако пластическое состояние
угля определяет не только наличие жидкой фазы: необходимо, чтобы
происходила пластификация твердых продуктов жидкими, а это дости-
достигается при условии образования в процессе пиролиза смеси веществ,
непрерывно переходящих от низкомолекулярных соединений к высоко-
высокомолекулярным через образования средней молекулярной массы
D50-1400): смолы, асфальтены, карбены.
О непрерывности дисперсной структуры пластической массы
свидетельствует ее групповой состав [69]. При исследовании угля марки
КЖ установлено следующее соотношение трупп, %:
Мадьтены
Асфальтемы
Карбены
Карбоиды
4,0
7,3
30,4
58,3
Такая система, по существу, является коллоидным раствором,-
первоначально образующемся в каждом отдельном зерне витринита, с
последующим включением в процесс всей массы угольных зерен при их
сращивании. Однако такая гетерогенная система, как коллоидный
раствор, формируется только в условиях, когда остаточный материал
угольных зерен не растворяется в жидкой фазе и между ними существуют
поверхности раздела.
Таким образом, пластическое состояние углей можно представить
как переходное из полимерной системы - раствора высокомолекулярных
соединений, в дисперсную коллоидную. Жидкая фаза в пластической
массе не только пластификатор, но и среда, препятствующая возник-
возникновению межмолекулярных связей и сшиванию макрорадикалов.
2.1. Теоретический анализ газопроницаемости
пластической массы углей
При переходе углей в пластическое состояние в процессе
пиролиза, их пластическая масса оказывает тем меньшее сопротивление
давлению газа и, следовательно, тем более газопроницаема, чем выше
вязкость углей в состоянии наибольшего размягчения [70]. Данная
зависимость описывается эмпирическим уравнением [I]:
Р=т:г)"
где Р - давление газа,т| - индекс вязкости пластической массы
углей; тип- постоянные. Это коренным образом отличается от
поведения высокомолекулярных термопластичных материалов и низко-
низкомолекулярных жидкостей: их газопроницаемость тем меньше, чем
больше вязкость, имеющая значение при получении пенопластов.
В рамках диффузионно-кинетической теории спекания углей
представляется возможным выполнить анализ рассматриваемого явления
и выразить его механизм с помощью математической модели.
Предположим, что имеется засыпь угольных зерен шарообразной
формы радиусом R; засыпь имеет порозность ср; в результате пиролиза
зерна переходят в пластическое состояние, приобретая вязкость т) и
поверхностное натяжениея а ; каждое зерно соприкасается с А другими.
При небольших значениях А на начальной стадии спекания можно
использовать результат исследования [159], показавшего, что при А
равном I, радиус г зоны пластического контакта между зернами зависит
от продолжительности спекания
Из B.1) следует, что площадь одной зоць! контакта равна
1
а площадь всех зон контакта одного зерна с другими
42
I. П.шсяшческ'н' акт/шок y.-:iek
, , 4nkaR
knr~ = т.
Свободная поверхность зерна, омываемая газами, равна в этом
случае
S=4nR2 -4лЛ — т = 4л/?2A-— т)
Определим гидравлический радиус зерна Rr как радиус шара,
имеющего такую же, как у зерна, удельную поверхность:
.'./- Тсчун-тичеснш aiuimi гахнц*нанялик.тн п.ыстнчеекчл! массы y:\ieh
43
Считая указанный элемент цилиндром с площадью основания AS и
высотой АЛ, обозначая давление газа вблизи зерна Р и выбрав
направление оси А против направления потока, получим
F-лр с dP dP
Из соотношений B.2-2.4) следует:
dh 2 ' R* ф ка
r\R
ЗК
R
r\R
x\R
По формуле Стокса сопротивление шара радиуса R потоку
жидкости или газа вязкостью т) и скоростью w равно
F =
Применим эту формулу к случаю прохождения газа через
пластическую массу остаточного материала угольных зерен, полагая R =
Rr и учитывая, что w - это скорость газа в межзерновых промежутках.
w=v-<p
где v - скорость газа в расчете на полное сечение слоя. Тогда
B2)
F этс сила давления газового потока на одно зерно, или, что то же
самое,на эле ент объема засыпи, содержащей это зерно. Объем этого
элемента А\ составляет
AV =
4л/?'
B3)
Примем за меру газопроницаемости дисперсной массы /"величину
средней скорости газа вязкостью 1, при которой градиент давления в
массе равен I. Тогда
1-ф r\R
B5)
Уравнение B.5) получено с учетом того, что размеры зон
пластического контакта черен малы по сравнению с размерами самих
зерен и поэтому справедливо только для начальной стадии спекания, для
малых значений т. Распространять это уравнение на большие чначения т
можно, например, полагая, что при этом скорость изменения газопро-
газопроницаемости пропорциональна величине последнай. Из уравнения B.5)
следует, что при т = О
1-ф
то есть
R
9 1-ф r\R
?=-*Г B6)
dx y\R
Интегрируя дифференциальное уравнение B.6) при начальном
условии т = О
44
2. tljiacnwwcKtie
2.2. I 'аянухшшцщлмк'ть тастичсскпн массы yvjieit тсхшки/гичсскИ''" пшаьче/шя
45
1-ф
получим
1-ф
B7)
В Междунадународной системе единиц (СИ) газопроницаемость
измеряется в м*.
Уравнения B.5) и B.7) отражают влияние крупности, порозности,
текучести угля в пластическом состоянии и продолжительности спекания
на газопроницаемость пластической массы. В частности, согласно этим
уравнениям, с увеличением вязкости газопроницаемость пластической
массы увеличивается. При расчетах необходимо учитывать, что в
соответствии с направлением усилий, действующих на спекающиеся
зерна, а также при их вспучивании, п - это "продольная" вязкость,
которая в 3 раза превышает обычно определяемую "сдвиговую" вязкость
[71].
Для иллюстрации приведем результаты расчета по уравнению B.7)
для углей разной спекаемости технологических групп IЖ26 и К2. В обоих
случаях принято: R = 0,1 см;<р=0,5; к = 9; а=0,05 Н/м. Принято также:
т = 2700с
для угля 1Ж26
для угля К2
п =0,6МПа-с,
г\ = \2,0МПа-с,
т= 1200с.
При этих условиях газопроницаемость пластической массы углей
составляет, см^:
1Ж26
К2
Г =2,9- 10ч
Г =2,1 • 10-'.
Как видно, увеличение спекаемости угля привело к резкому (на
один порядок) уменьшению газопроницаемости его пластической массы.
2.2. Газопроницаемость пластической массы углей
технологического измельчения
При нагреве до 450-550С угли размягчаются i/ вследствие этого,
спекаются и результате деструкции главных цепей их макромолекул,
отщепления кислородсодержащих функциональных групп, разрыва
эфирных и метиленовых мостиков и насыщения образующихся фраг-
фрагментов водородом при его перераспределении з процессе пиролиза [1]. И
только лишь незначительная часть углей способна к размягчению без
сколько-нибудь существенной деструкции [19]. Размягченные зерна под
действием сил поверхностного натяжения, гравитации, давления выше-
вышележащих слоев углч и выделяющихся летучих веществ деформируются,
при этом образуются и увеличиваются площади контакта поверхности
зерен. Между молекулами, находящимися на соприкасающихся поверх-
поверхностях, действуют межмолекулярные (вандерваальсовы) силы, а с
дальнейшем между ними образуются химические связи. Эти физические
и химические силы связывают зерна остаточного материала углей в
единый массив. Таков в общих чертах механизм спекания углей.
Из сказанного следует, что прн прочих равных условиях, площадь
зон контакта между смекающимися зернами зависит о г реологических
свойств материала зерен в период спекания. Судить о спекаемости углей
можно по их вязкости в пластическом состоянии.
В зависимости от вязкости пластической массы находится
сопротивление движению газов ( газопроницаемость ) [55,561. Последняя
такж» позволяет оценивать спскаемость углей и, вместе с тем, ярлястся
исходным параметром для анализа движения и пиролиза парогазовых
продуктов коксования.
При переходе углей в пластическое состояние в процессе
пиролиза, их пластическая масса оказывает тем меньшее сопротивление
давлению гача и, следовательно, тем более газопроницаема, чем выше
вязкость углей в состоянии наибольшего размягчения [70].
В рамках диффузионно-кинетической теории спекания углей
представляется возможным выразить газопроницаемость Г в виде
математической модели, описываемой уравнением [70]:
I — со
B8)
где: /? - радиус угольных зерен; <р - порозность; г| - вязкость в
пластическом состоянии; а — поверхностное натяжение; к — колм'<ество
контактов угольного зерна с другими зернами; т - продолжительность
спекания.
Разработанные для измерения газопроницаемости методы [57,58],
так же как и большинство методов определения вязкости, обладают
практически одними и теми же недостатками: для испытания приме-
применяются угли с низким верхним пределом крупности ( <3 мм ), условия
нагрева и коксования загрузки существенно отличаются от промыш-
промышленных. Кроме того, ы пластический слой вдувают газ со значительно
46
47
-'¦ Л.шсшпческ/к: cth.mnj
более низкой, чем в нем температурой; при этом пластическая масса
охлаждается, что искажает результаты измерений газопроницаемости.
Нами разработан новый, лишенный указанных недостатков метод
определения газопроницаемости [59].
шнческпн.>шссч1
1
снабж?на регулирующим
9, имеет печь (о для нагрева
.а-шгтоницаемости (рис.2.1) включает
Установка для определения г^пр оводящей трубкой 3
стакан I с установленным в нем штампе ^ ^ нижнего
и термопарой 4. нижний конец кот°Р° ^ навливается в печь 5. B точке
конца газопроводящеи трубки. СтаР" * на термопара 6 для замера
ввода газопроводящеи трубки в ста!""
температуры инертного газа,
потенциометром 7, реле 8 и дифма
инертного газа.
...ый уголь или шихту, измельченные
В стакан помещают исследуе^и У ^ ^^ Q5Q6
до заданного уровня. Количество ^аГРУт штемпе;1Ь 2? через отверстие
кг. На верх загрузки в стакан устанавл" 3 и термопару 4.
в, котором внутрь ее вводят газон,о»од J ие и и, ительные
Стакан помещают в печь 5, подклюет PJ ^ ^^ в ^
приборы. Включают электропитанис
инертный газ со скоростью 1,5 л/ч.
. ?50°С ведут со скоростью 10
Нагрев печи 5 до темпера!УРы . ~ „ ,
«т чяиач исследования, 1-5 град/мин
град./мин., а далее, в зависимости Ol ian
, • -, , ч т ттупа нагрева инертного газа увели-
(как правило 3 град./мин). Темпер^Р помощи
чивается синхронно с температурРИ У^ м тими температ?рами
регулирующего потенциометра 7 p,<4"ulj
>прпя\ х-* град.
автоматически выдерживается в предсл
^ipf кого слоя вверх, газопроводящая
По мере продвижения пласт И '^ „„„„ .
1 ' -т.'-гкенно, возрастает сопротивление
труока погружается в него и, соотвг11-' „ ,
KJ ,. ^„м подойдет зона слоя наименьшей
проходу газа. Когда к устью труб™ < зафиксирует макси-
вязкости (максимальной текучести ? Д* Р ^^^ является п 0.
мальное сопротивление движению»^ пттому далм усть? бки
дным к отверждению пластической ма ' _^л
к, _гя. сопротивление при этом снижа-
входит в зону формирования полуко Kt
, .,ог0 значения,
ется, постепенно достигая минимялр"
.пчгтического слоя определяются так
Величина усадки и толщина г!пл^'
iprk-ом методе,
же, как в стандартном пластометрич|е(-к
,-. - .прния проходу газа определяют: его
При анализе кривой сопротирлсм „„ _„_„,.,„„ ,„
к „тичности, температуру загрузки на
максимальное значение, начало пла1С1И „ а„ с
г -,л ппи которой начинается быстрый
уровне устья газопроводящеи трубки* "^ „„„^, -'
^ м PJ ппястического слоя, при которой его
подъем сопротивления: температуру П1Ш^ „,„„„,„„ ,„
к .. температур максимального сопро-
сопротивление наибольшее; разность "~ г. ,,„„,„,„,,,, ,„
,„п;, пластичности. По полученным
гивления пластического слоя и HaildJI nnr,
, j. , газопроницаемости пластической
данным определяется коэффиниен' 1а
чассы, мкм*
B9)
48
2. n.tavnnt'tecHiv соиншнтг y,\ieii
Где: r\ - вязкость подаваемого инертного газа, Пас; ??- расход газа,
подаваемого в пластическую массу, см3/с; h - толщина пластического
слоя, мм; S- площадь сечения газопроводящей трубки,см~; Ар- перепад
давления по манометру Ар = рпш - р0, Па.
Если температуру газа при прохождении через пластический слой
принять равной 400°С, то формула приобретает вид:
К = 80870 h: Др B10)
Воспроизводимость результатов определения газопроницаемости
характеризуется величиной среднеквадратичной относительной ошибки
единичного определения, равной 5% (оценка при 9 степенях свободы).
Нами изучено влияние генетических и технологических факторов
на газопроницаемость пластического слоя углей и угольных шихт произ-
производственного измельчения.
Влияние степени метаморфизма углей на газопроницаемость
пластической массы
Изучали на углях Кузнецкого бассейна, измельчаемых до 80%
класса <3 мм ( табл.2.1).
Следует отметить,что показатели максимального давления инерт-
инертного газа (сопротивления) при прохождении пластической массы в
лабораторном методе в 2-5 раз больше давления, измеряемого в осевой
плоскости угольной загрузки в промышленных коксовых печах при
слиянии пластических слоев, что свидетельствует о различии газоди-
газодинамики процессов. Из формулы B.10) следует, что при прочих оди-
одинаковых условиях/», а следовательно ир,„„х, зависят от расхода (скорости)
инертного газа, подаваемого в пластическую массу.
Кроме того, пластический слой в аппарате постоянно блокирован с
обеих сторон: с нижней - слоем полукокса кокса,прижатого к днищу
стакана, с верхней -слоем угольной загрузки и штемпелем. И, наконец,
скорости подъема температуры в лабораторном методе и в промыш-
промышленных условиях существенно различаются.
Таким образом, показатели, определяемые в лабораторном методе.
не являются абсолютными. Так же как и в стандартном пластомеп-
рическом методе, они дают относительную оценку пластично-вязкого
состояния пластического слоя углей
2.1. Гаичцтпицаеликтыьшстнчести массы ysjeti пкхнш/тчесюч) imuc.fi» w
49
Таблица 2.1
Уголь О Ф
Кирова
Распадская
Черти некая
Березовская
Судженская
Техноло-
Технологическая
группа
Г6
ПК
ж
к
КС
Технический
анали1,%
А"
5,5
5,4
10,7
7,8
7,4
y.lar
40,0
35,4
33,6
20.6
18,5
Пластический
слой,мм
по
ГОСТ
13
17
32
13
10
по
новому
методу
13
19
32
13
13
Макси-
Максимальное
сопротив-
сопротивление, Па
185
4573
7456
4612
696
Ко.фф.
газопрони-
газопроницаемости,
мкы~
504.8
36,2
33,4
20,7
138,2
Показатели максимального сопротивления пластического слоя
загрузки и коэффициента газопроницаемости проходят через экстремум.
Положение экстремума для этих показателей различно: сопротивление
проходу газа через пластический слой наибольшее для жирного угля, а
коэффициент газопроницаемости наименьший для коксового, что
соответствует [56]. Отмеченные факты можно объяснить тем, что
сопротивление пластического слоя зависит не только от газопрони-
газопроницаемости его материала, но и от толщины, которая у жирных углей
значительно больше, чем у углей других технологических групп.
Влияние уровня измельчения угольной шихты
Исследования выполнены на шихте, %: ГЖ-15 ;Ж-33; КС-13;К-39.
Технический анализ, %: зольность - 8,5, выход летучих веществ (Vdal) -
28,5; толщина пластического слоя - 17 мм. Представительную пробу
угольной шихты делили на 5 равных частей, каждую из которых
измельчали до заданного верхнего предела крупности и использовали для
испытания. Результаты представлены в табл. 2.2.
При измельчении угольной шихты толщина пластического слоя,
определяемая по новому методу, убывает. Это можно объяснить:
хемосорбцией кислорода на вновь образующейся поверхности; менее
полным вовлечением парогазовой фазы во вторичные реакции с
образованием жидких продуктов, вследствие меньшего диффузионного
сопротивления мелких зерен материала; увеличением поверхности
твердой фазы, на которой сорбируется жидкая фаза.
Показатели максимального сопротивления пластического слоя
проходят через максимум, а газопроницаемости - через минимум,
соответствующий крупности шихты >6 мм. Это объясняется наложением
трех тенденций: самоотощением углей при измельчении, уменьшением
площади пластическою контакта и относительным ростом количества
зон пластического контакта. По-видимому, наибольшая поверхность
50
2. П.клстчческчс ак'ятшше ys.ieit
2.2. Гамтранчцаелыкччьи.юстическпимассыу.-.гей нмхшмогнчесют и
51
пластического контакта достигается при верхнем пределе крупности
угольной шихты-6 мм, и этот уровень применительно к данному составу
шихты следует считать оптимальным для наилучшего использования
спекающего потенциала углей.
Таблица 2.2
Верхний предел
крупности, мм
10
6
3
1
0,5
Толщина
пластического слоя,
мм
20
19
17
17
16
Максимальное
сопротивление. Па
4179
6612
6229
5170
4993 '
Коэффициент
газопроницаемости,
мкм"
38,0
22,8
21,7
22,0
25,4
Влияние способов подготовки угольной шихты
Исследования выполнены на угольной шихте, %: ГЖ-17; Ж-22;
К-48; КС-13. Технический анализ, %: /(''=9,2; У'"'=21. Толщина
пластического слоя - 16 мм. Шихта подготавливалась в промышленных
условиях по схеме ДШ и методом избирательного измельчения с пнев-
пневматической сепарацией в кипящем слое (ИД ПМС) на промышленной
установке углеподготовительного цеха коксохим производства Нижнета-
Нижнетагильского меткомбината. Результаты представлены на рис. 2.2, 2.3 и в
табл.2.3.
Таблица 2.3
Пластично-вязкие свойства угольной шихты, подготовленной разными
способами и прочностные характеристики кокса
Показатели
Уровень измельчения (класс <3 мм),%
Температура подъема давления, °С:
напала
конца
Интервал пластичности, °С
Толщина пластического слоя, мм
Максимальное давление, Па
Модуль упругости кокса,МПа
Прочность ни разрыв, МПа
Схема подготовки
ДШ
81,7
340
490
150
17
5592
1923
5,9
ИДИ МО
80,9
335
510
175 ,
17
5878
1721
6,3
При избирательном измельчении кривая усадки стала менее
плавной. Пластический слой, с момента его возникновения, нарастает
быстрее и значительно раньше достигает максимальной величины.
Различается динамика давления газа в пластическом слое - более плавная
кривая у шихты обычного измельчения и резче у шихты, подготовленной
способом пневматической сепарации. Последняя имеет и большее
сопротивление создаваемому давлению.
1.0
та 0,8
8
I
«о 0,6
! 0,2
0,8
= С
1,2 1,6
2.0
2.4 2,8 3,2 3.6
4,0
4,4 4,8
Время, ч
600
О
а?
I
400
"Ч 200
100 200
300
400
500 600
700
Температура, °С
Рис. 2.2 Динамика тастометрических показателен уголыюи шихты, подготовленной: по
схеме Д1II: избирательным измельчением с пнеямосепараииеи:1.2 усадка: 3.4 толщина
пластического слоя
iuc. 2.3 Coiipoinud'ieuue мистического слоя угольной шихты, подготовленной: I по схеме
Лш: 2 ¦ - избирательным измельчением с пнеамосепа/юнией.
52
2. П.шстнческчх а*сяттме>
2.2. I алт/мшш/иелккть пластический массы у,\шн т
п игме.^ьчешы
53
Отмеченные различия свидетельствуют о повышении текучести
пластической массы углей избирательного измельчения: перераспре-
перераспределение вещественного состава [9,10], го-видимому, способствует
увеличению количества жидкоподвижных продуктов и повышению
спекаемости. При этом модуль упругости полученного кокса практи-
практически не меняется, а прочность на разрыв возрастает, что свидетельствует
о более высокой его термической устойчивости.
Влияние способов подготовки углей на кинетику их термической
деструкции
Вопросы кинетики термического превращения углей достаточно
подробно рассмотрены [50-55]. Однако практически нет сведений о
влиянии способов подготовки углей на ход термической деструкции.
Между тем показано, что распределение вещественного состава по
классам крупности готовой угольной шихты, оказывает существенное
влияние на свойства кокса [56,57].
Выполнено исследование угольной шихты НТМК с привлечением
методов, позволяющих характеризовать распределение углей по классам
крупности и дать кинетическую оценку процесса термической деструк-
деструкции каждого класса крупности и шихты в целом [58]. Шихта имела
состав,%: Ж-30,3; Г17-10,2; КЖ14-12,8; К-32,1; К2-12,6; Гб-2,0. В
промышленных условиях была отобрана проба шихты, подготовленной
методом избирательного дробления с пневмосепарацией в кипящем слое
(ИД ПМС). После этого установку избирательного измельчения углей
остановили, а исходную шихту подвергли измельчению по схеме ДШ
(дробление шихты) до такого же уровня G9,5 % класса <3 мм).
Пробы были рассеяны на классы, мм: >6; 6-3; 3-0,5 и <0,5. Все
классы измельчили до <0,5 мм для того, чтобы исключить влияние
крупности на свойства угольного вещества классов и выявить различия
между ними.
Пробы шихты, подготовленной разными методами по показателям
технического анализа и вспучиванию, оказались примерно одинаковыми
(см. табл.2.4). Отмечаются характерные для каждого способа подготовки
различия ее свойств. Шихта, подготовленная с применением ИД ПМС,
имела на 5% меньше пыли класса <5 мм. Шихта обычного дробления
характеризовалась повышенной зольностью классов >6 и 6-3 мм, более
резкими различиями между классами по выходу летучих веществ и
вспучиванию.
При практически одинаковом фракционном составе крупные
классы обычной шихты содержали в несколько раз больше породных
частиц плотностью > 1,8 г/см'. Петрографический состав угольной шихты
разных способов подготовки одинаков. Однако распределение групп
микрокомпонентов по классам крупности различается. Крупные классы
шихты ПМС содержат больше микрокомпонентов группы витринита.
Термогравиметрическое исследование проб проводили при ско-
скорости нагрева 10°С/мин до конечной температуры 900°С в атмосфере
азота. Кинетические параметры процесса рассчитывали по методике [59].
Для расчета пользовались двумя точками на кривой ДТГ (рис. 2.4):
температурой максимума скорости потери массы (Тт) и температурой,
при которой достигается половина значения максимальной скорости
(То,), по уравнению
Таблица 2.4
Характеристика классов крупности и шихты НТМК
Схема Пол
ШИШКИ,
классы
крупности,
мм
ПМС
><г
6-3
3-0,5
0,5-0
Шихта
ДШ
>6
6-3
3-0,5
0,5-0
Шихта
Выход
класс»
от
ШИХТЫ,
%
5,2
15,3
41,0
38,5
6,2
14,3
36,0
43.5
Л",
%
9,3
19,1
9,6
9,5
9,7
14,9
10,9
9,3
9,0
9,8
V'ur,
%
26,8
28,3
28,2
26,6
27,4
25,5
28,3
27,8
26,6
27,1
Вспу-
чива-
чивание,
мм
59
88
88
76
80
17
61
79
87
78
Фракционный
состав при
плотности, г/см'
>1,8
0,4
1,0
2,9
4,2
3,0
4,4
2,6
2,8
3,8
3,3
1,8-
1,4
6,9
7,7
7,4
16,7
11,0
11,3
11.8
9,0
16,1
12,6
<м
92,7
91,3
89,7
79,1
86,0
84,3
85,6
88,2
81,1
84,1
Петрографический
состав, %
Vt
51
55
64
72
.
47
56
61
71
-
Sv
17
14
9
6
_
14
II
12
10
-
L
2
1
1
1
.
2
2
2
2
-
F
¦ 19
20
15.
10
_
.20
17
|4
8
¦ .-
M
9
8
9
9
_
15
13
10
9
-
E = M
' m "'о.Зя
Т. -71..
B11)
где М- коэффициент, зависящий от порядка реакции.
На кривой ДТА процессу деструкции угля соответствуют пики: 1-
начало интенсивной деструкции вещества; 2 — переход угля в плас-
пластическое состояние, сопровождающийся эндотермическим эффектом и
максимальной скоростью убыли массы; 3 - завершение процесса с
преобладанием деструкции и начало этапа с преобладанием ассоцииро-
ассоциирования, образованием полукокса, сопровождающееся экзотермическим
эффектом.
54
2. Пластические еаспиттеу
2.2.1мм1И1ючш^шшоапн^шсяшческоп массы yr.ieii тегпатгическпгп нхиешчечня
55
900
1.0
1,5
Время, ч
Рис. 2.4 Деривашограима угольной шихты НТМК: 1 начало интенсивного ратложешт
вещества: 2 - переход в пластическое состояние: 3 - завершение деструкции, начало
поликонденсацин.
При обычной подготовке шихты наибольшую температуру начала
интенсивной деструкции имеет класс < 5 мм, а наименьшую - >6 мм, что
увязывается с показателями, характеризующими вещественный состав:
чем меньше компонентов группы витринита и больше других компо-
компонентов, особенно группы фюзинита в загрузке, тем меньше температура
требуется для начала деструкции (табл.2.5). Имеется также связь между
температурой интенсимной деструкции и количеством минеральных
составляющих в загрузке (по массовой доле золы).
При подготовке шихты с применением ПМС порядок температур
начала интенсивной деструкции углей по классам изменился, но также
выявлена прямая зависимость ее от вещественного состава: чем больше
угольного вещества плотностью <1,4 г/см' в классе крупности,тем более
высокая температура необходима для деструкции.
Отмеченные закономерности объясняются не только различным
распределением петрографических компонентов и вещества углей разной
плотности по классам, но и распределением углей по степени метамор-
метаморфизма. Это, в частности, подтверждается массовой долей выхода летучих
веществ, и золы. При обычном измельчении угольной шихты классы >6
мм формируются из наиболее прочной части углей высокой степени
метаморфизма, содержат минерализованные и породные частицы. При
избирательном измельчении эти классы, наоборот, содержат больше
вещества углей низкой плотности и степени метаморфизма.
Более сложная связь между показателями вещественного состава
углей и энергией активации. Поэтому можно отметить лишь общие
тенденции: уменьшение энергии активации почти всех классов шихты,
подготовленной методом ПМС (исключение составляет класс 6-3 мм);
основную роль в кинетике деструкции играют классы < 3 мм. В наи-
наибольшей мере снизилась энергия активации класса 3-0,5 мм, что опреде-
определяет общий более низкий энергетический уровень реакции деструкции
шихты избирательного измельчения. Существенно снизился показатель
Е для класса > 6 мм.
Классы крупности шихты, подготовленной с применением ПМС,
по температуре начала деструкции (кривая ДТА) расположились в
строгом порядке: температура увеличивается от мелких классов к
крупным, что соответствует их фракционному и петрографическому
составам, массовой доле фракции плотностью < 1,4 г/см1 и микро-
микрокомпонентов группы витринита.
Таким образом, повышение равномерности распределения
вещественного состава угольной шихты при подготовке методом ПМС
снижает эффективную энергию активации процесса термической дес-
"фукции практически всех классов крупности и шихты в целом, что
свидетельствует о меньшей стабильности взаимодействующих частиц
56
2. П.шстическче ctKintmtini'улши
3. Фп/пш/мхилнн.' анутренпих напряжении, унругп-щючткпишх и фтчки-хнлшческих cntii'icnits кокса
57
угольного вещества и, следовательно, более благоприятных условиях для
их спекания.
Таблица 2.5
Результаты термогравиметрического исследования классов крупности и
шихты НТМК, подготовленной разными способами
Схема под
готовки,
классы
крупности,
мм
ПМС
>6
6-3
3-0,5
<0,5
Шихта
ДШ
>6
6-3
3-0,5
<0,5
Шихта
Общая
убыль
массы,
24,0
24,0
24,2
23,0
23,6
21,8
23,4
23,4
23,2
23,4
Температуря,'.
пик 1
635
625
603
584
596
595
620
583
633
603
пик 2
773
763
775
765
773
767
766
775
775
767
ТАЛ"
пик 3
1039
1023
1038
1028
1027
1033
1033
1025
1030
1029
Температура ДТГ\К
г-
758
755
755
753
752
745
748
748
756
750
725,0
723,0
720,5
721,5
719,5
715,0
716,5
716,0
724,5
720,0
Т
33,0
32,0
34,5
31,5
32,5
30,0
31,5
32,0
31,5
30,0
ЕкДж
моль
209,5
214,5
198,2
216,6
209,1
223,3
213,7
210,3
218,3
¦ 214,5
3. Формирование внутренних напряжений,
упруго-прочностных и физико-химических
свойств кокса
Особого внимания заслуживает исследование механизма
возникновения и развития внутренних напряжений в теле кокса,
характеризующих состояние структуры, ее однородность и определяю-
определяющих способность противостоять разрушению в условиях высоких
температур и агрессивной газовой среды.
До настоящего времени четко не определены условия форми-
формирования и роль физико-химических свойств кокса в доменной плавке и в
различных недоменных производствах и пути управления этими
свойствами.
В данном разделе представлены результаты теоретических и
экспериментальных исследований, связанных с этими важнейшими
группами свойств кокса.
3.1. Вопросы теории формирования внутренних
напряжений в процессе образования кокса
Теория усадочных внутренних напряжений достаточно обстоя-
обстоятельно разработана Н.С.Грязновым [74]. Но усадочные напряжения не
являются единственным видом напряжений в коксуемом массиве. При
разработке технологии производства кокса для электротерммических
производств обратили внимание на то, что добавка в угольную шихту
небольшого количества минеральных веществ E-10% кварцита, извест-
известняка и др.) приводила к резкому снижению прочности кокса [75-77], хотя
по спекаемости углекварцитовая шихта отличалась незначительно и
имела выше плотность насыпной массы. Из этого был сделан вывод, что
причина снижения прочности кокса лежит за пределами образования
структуры полукокса.
Была разработана методика расчета локальных внутренних
напряжений в коксе [78]. Применительно к коксованию углемине-
ральных шихт были предложены формулы
а = 1,5/»-^- C.1)
г
•Jo
3. Форкмрпяанне анумреинит напряжений, учругн-прпчиаслшых и фпмкп-хлинческих аитсма кикса
р __
ИЛИ
\,5(Ек+Егм)
К1 &
где гж., - радиус включения, мм; г - расстояние от центра
включения до точки, в которой определяется напряжение; Р — давление,
создаваемое включением на массу полукокса-кокса; ак - коэффицииент
усадки полукокса при переходе его в кокс; а,.^ - коэффициент тер-
термического расширения включения; Т„и Т- соответственно температура
затвердевания (образования полукокса) и конечная температура коксо-
коксования, К\ Е,. и ?„„¦.,- модули упругости кокса и включения.
Аналогичным образом, в принципе, должно происходить возник-
возникновение локальных напряжений при коксовании угольных шихт. В
крупных классах шихты, подготовленной обычными способами, кон-
концентрируется наиболее труднодробимая часть углей: зерна породы,
минерализованного угля, дюрита. Эти включения оказывают влияние не
только на стадии спекания, повышая неоднородность и газопрони-
газопроницаемость пластического слоя, но и на стадии полукокса-кокса. Для
доказательства приведем результаты исследования крупных классов
шихты, подготовленной по схеме группового дробления компонентов
(ГДК) и избирательным измельчением с пневмосепарацией - ИД ПМС
(табл.3.1)[79].
Таблица 3.1
Состав фракций угольной шихты
Способ
пол готовки
шипы
ГДК
ИД 11МС
Показатели
Содержанке фракций,%
Количество черен
Масса 1 черна, мг
Содержание фракций, %
Количество (ерем
Масса 1 черна, мг
Плотность фракции, i/cmj
<1,4
85,55
5290
31.0
90,10
5557
31,0
1,4-1,8
11,65
622
36,0
7,70
418
36,0
> 1,3
2,80
88
51,0
2,20
85
51.0
При одинаковом уровне, ~80% класса 3-0 мм, количество зерен >3
мм в шихте отличается незначительно: 6000 при обычном и 6060 при
избирательном измельчении. Однако количество зерен во фракциях
,
3.I. Впщшсы ншцпт t
вмущншшх напряжении и процессу поримчиитя кокса
59
равной плотности существенно различается. В крупных классах шихты
ГДК породных и пром продуктовых зерен по массе на 4,6% больше, чем в
шихте ПМС.
По формуле 3.3 можно подсчитать внутренние напряжения на
границах элементарных объемов кокса, включающих одно минерали-
минерализованное зерно крупностью > 3 мм. Принимая равными коэффициенты
расширения минеральных и пром продуктовых зерен и коэффициенты
усадки полукокса-кокса можно записать
гдк _
,,, - напряжение в коксе из шихты подготовленной по
схемам ГДК и ПМС; гГНК и гцкк- - расстояние от центра включения до
точки, в которой производится определение величины напряжения.
При равномерном распределении минерализованных зерен в
коксуемой загрузке можно рассчитать элементарную массу (т) кокса,
включающую одно зерно,
C.4)
где Вк - выход сухого кокса из шихты, г; и - количество
минерализованных зерен в 1 кг шихты.
При подготовке шихты по схеме ГДК и выходе кокса 78% масса
такого объема составит т = 780 : 710 = 1,10 г, а при подготовке
избирательным измельчением т - 780 : 503 = 1,55 г. Если кажущуюся
плотность кокса принять 0,9 г/см1, то величины элементарных объемов,
включающих одно зерно плотностью 1,4 г/см', составят соответственно
1,10: 0,90 = 1,22 и 1,55 : 0,90 - 1,72 см'.
Минимальное напряжение возникает на половине расстояния
между двумя соседними зернами, а их различие при разных способах
подготовки шихты обратно пропорционально отношению элементарных
объемов, включающих одно такое зерно,
а^ = К™^ = ]/7? 4| A5)
1,22
Таким образом, с определенным допущением можно считать, что
при подготовке шихты способом ИД ПМС внутренние напряжения в
межзерновом пространстве кускового кокса будут на 40% меньше, чем в
коксе из шихты, подготовленной обычным способом.
OU 3. Форин/хишние ттн/геиних напряжений, унруы-щючшкпшых и фпшм-хнмических СпоЛсяш кокса
i. /. Нтцюсы теарт фпрмщмншнпя шут/х'ниУх напряжет»! и прнцессе oa/kijnitwniM кикса
61
3.1.1. Анализ локальных термических напряжений
Методика расчета локальных внутренних напряжений
дальнейшем была уточнена с учетом пористой структуры кокса [79].
Формула приобрела вид
Р=-
з М
C.6)
где VK и VHK:l - объем кокса, приходящегося на одно включение и
объем, занимаемый включением в коксе, см'; 8—толщина стенки поры, см.
Последующая стадия развития напряжений, характеризуемая
разрывом куска до самой поверхности от включений разной формы, в
достаточной мере не исследована. Чтобы сопоставить воздействие вклю-
включений разной формы, необходимо выбрать определенный приведенный!
размер для сравнения. Таким размером может служить диаметр услов-j
ного включения шарообразной формы dy, длина окружности которого
равна периметру контактируемого с коксом включения (рис. 3.1).
Рассмотрим условия разрушения образца кокса в виде цилиндра <
включений разной формы (рис. 3.2). Внутренние напряжения в коксе в\
общем виде определяются выражением
А. К
C.7)
где ?к — упругая деформация кокса; К- коэффициент релаксации
напряжений, принятый для кокса равным 0,9 по экспериментальным
данным.
(а F (в
1ld=ndy
2(a+b)=ndy
Рис. 3.1 Соотношение условном диаметра (dy) и натуральных размеров включении
имеющих форму шара (а), куба (б) и параллеттеда (в).
Упругая деформация кокса определяется абсолютной упругой
деформацией зерна включения e,.t/, его условным диаметром и диа-
диаметром образца кокса D (см.рис. 3.2):
C.8)
Тогда выражение C.7) принимает вид
D-d.
C.9)
После того, как внутреннее напряжение достигнет предела
прочности |ст|, происходит образование трещин, и внутренняя напря-
напряженность снижается [81].
Условия сохранности кокса от разрушения можно выразить
следующей зависимостью:
\а\>Ек?г.,К ^— C.10)
D-dy
Отсюда может быть определен критический условный диаметр
включения, вызывающий образование трещины:
\dr\ = -
\<j\D
C.11)
Критический диаметр допускается большим с повышением
крупности куска кокса, предела прочности, а также с уменьшением
жесткости Ек его структуры и деформации включения.
(а (б (в
Рис. 3.2 Расположение в корольке кокса включения, имеющего форму шара (а), куба (б) и
нараллепипеда (о).
62
i. Фо/шн/мкишне lUivniiK'nnnx напряженны, упруШ'Щючппстчых и <1наит-хи.\шчискнх cittmcnut какш
Заменяя dy определяющими его величинами, можно представить
выражение C.11) другими уравнениями, ¦ отражающими зависимость
натуральных критических размеров включений соответственно в виде
шара, куба и параллелепипеда (см. рис. 3.2):
\d\=-
\a\D
\a\D
4 Еке„К+\а\
\a\D
2 EKs.
C.12)
C.13)
(з.иу
При одном и том же условном диаметре включений разной формы
их размеры находятся в соотношении
2 4
Включения, равные по dv, вызывают равные напряжения неза
от форм'ы. При одинаковой площади сечения включений разно!
формы или при равнцх их объемах напряжения возрастают в случа
перехода от включений в, форме шара к включениям в форме куба
параллелепипеда. Это происходит вследствие увеличения условного
диаметра включений.
В зависимости от материала включений, последние при
нагревании расширяются или сокращаются, вызывая в окружающей
массе кокса соответственно напряжения растяжения или сжатия. Исходя
Из этого, в уравнение C.1 I) включаются прочности на разрыв [а , |или на
сжатие |<т,|, Упругая деформация зерна включения зависит от его
относительного линейного изменения C,.„, жесткости структуры кокса
(?„) и включения (?,,„)
?„.., =
C.15)
Сокращающееся зерно включения, например, матового угл
стремясь оторваться от окружающей его массы кокса, упруго возде!
ствует на нее до тех пор, пока напряжение не превысит пред!
прочности, а деформация - предельную деформацию на разры
Отделившись от кокса, включение свободно сокращается, не вызывая
3. /. Иоя/тсы mtiipuu ijmfiuuptHXiitHM «пупцкнних напряжении It нрацесее чорахжиння юная!
63
окружающей массе напряжений. Поэтому максимальная упругая
деформация ограничивается отношением
\гк\ = ~ C-)
Выражения C.15) и C.16) учитываются при использовании
уравнений C.11)-C.14).
При коксовании шихты с участием зерен угля марки СС
установлено, что последние в процессе усадки отходят от вмещающей
массы в наиболее слабых пограничных участках. Если ;ерна включений
оказываются на поверхности куска, то они перемещаются вместе с
массой кокса. Это свидетельствует о том, что вмещающая масса,
несмотря на большую усадку по сравнению с матовыми включениями, не
оказывает на зерна включений давления, поскольку не создаются
препятствия сокращению массы кокса.
Для проверки изложенного метода расчета проведено лабо-
лабораторное исследование процесса разрушения корольков кокса с
включениями разной формы и крупности из породы и матовой части угля.
Эти включения помещали в центр угольной загрузки, которую коксовали
в цилиндрических ретортах. По наличию трещин в корольке кокса
устанавливали допустимые размеры включений, которые сопоставляли с
рассчитанными. Исходные данные для расчета также определяли
экспериментально. Результаты представлены в табл. 3.2. Модуль
упругости Е для кокса, включений матового угля и породы составлял 942,
2943 и 3924 МПа, соответственно; параллельное напряжение кокса на
сжатие 11,8 МПа. на разрыв 2,8 МПа; относительная деформация
породного включения 0,02, а относительная деформация матового
включения определялась из условия прочности кокса по допустимому
напряжению на разрыв по формуле C.10) и с учетом C.15)
E\dK
C.17)
Принимая, что самопроизвольное развитие трещин в коксе будет
наблюдаться при соотношении (D-d): d= 2, относительная деформация
матового включения будет
2V-3000-2
9600-9600-1
64
3. Фп/щщхнщние впут/кпппх напряжении, ущ)у,ч>-щтчшх:тиых я фня/кп-лшнческнх счюиспш ни
XI. Ноп/юсы menjnni 1]юр.чн/ммиитя спут/К'шшх иапря.шешн'/ к н/нн/сссе {юраяминтя кокса
65
Расчетные данные удовлетворительно соответствуют фактической
крупности испытанных зерен включений. Зерна из матового угля имеют
больший критический размер в сравнении с породными, вследствие того,
что сокращающиеся включения матового угля вызывают в окружающей
массе кокса напряжения сжатия. Устойчивость к напряжениям такого
рода у кокса значительно выше устойчивости к растягивающим
напряжениям.
Таблица 3.2
Минимальные размеры и форма зерен
включений, вызывающих образование
трещин в процессе коксования угольной шихты
Форма включения, материал,
критические рачмерм
Шар()
Порода: расчетные
фактические
Матовый уголь:
расчетные
фактические
Куб()
Порода: расчетные
фактические
Матовый уголь:
расчетные
фактические
Параллелепипед(а + b )
Порода: расчетные
фактические
Матовый уголь:
расчетные
фактические
Диаметр образка кикса, мм
13,3
5,6
5,5
9,1
9,0
4,5
3,5
7.1
8,0
7,1
7,0
11,8
-
16.0
7,0
7,5
11,0
12,0
5,5
6,0
8,6
10,0
9,0
10,0
14,3
12,0
30,0
13,1
14,0
20,5
22,0
10,3
11,0
16,1
17,0
18,6
16,0
-
-
3.1.2. Расчет критического размера и концентрации включений в
коксе
Степень засорения кокса (А) породными и минерализованными
включениями можно описать уравнением (в долях единицы)
G V -у tmd,.y,.K.
где <7ЯЮ и Gk - масса включений и кокса, соответственно; у „„ и К„к, -
кажущаяся плотность и суммарный объем включений; п - количество
включений.
Согласно [79] локальное напряжение определяется по формуле
C.9). Выразив разность (D-dy) через условный диаметр D,, занимаемый
коксом, получим
, A19)
Ya о
где К^- - объем кокса; ук- кажущаяся плотность кокса.
С учетом уравнения C.18) имеем
6GK _
Аук
, C.20)
откуда
C.21)
среднее напряжение кокса от включений
<*с = ЕкУ„„ ¦ *7(У„„: ЛУк f' . C-22)
критическая концентрация включений
1.1
\А\= II '™ , C.23)
критический условный диаметр включения (средний)
_ \dy\c,=(«JK\A\lrmy,J', C.24)
критическое количество включений среднего условного диаметра
C-25)
I
66
3. Фпулт/ктатн: ниут/кчитх истртнуннн, упру-^о-ирпчнпспш
фиыкп-химичссккх cnttiicmii коксо
общее критическое количество включений разных размеров
определим исходя из массы Gw, критического условного диаметра \dv\iи
количества а, каждого класса /-той крупности включений,
1
100
C.26)
Зная среднее напряжение кокса от включений, можно оценить
воздействие засорения его породными частицами.
Таким образом, критическая (допустимая) концентрация
включений зависит от прочности кокса, жесткости его структуры,
плотности кокса и включений и относительной деформации последних. В
зависимости от свойств угольной шихты, получаемый кокс характе-
характеризуется различной критической концентрацией включений. Последней
соответствует предельная крупность включений.
прще
67
3.1.3. Воздействие объемных и локальных термических напряжений
в процессе коксования
Образование трещин происходит при термических напряжениях,
возникающих, вероятнее всего, при комбинированном и одновременном
воздействии усадки полукокса-кокса, градиента температуры в слое и
включений породы. Рассмотрим схему возникновения термических
напряжений в коксуемой массе (рис.3.3).
Пристенный слой загрузки, прошедший стадию пластического
состояния, отверждается и начинает испытывать усадочные напряжения
растяжения. Включения породы, находясь в том же слое, оказывают
расширяющее воздействие на окружающую массу, вызывая допол-
дополнительное ее растяжение.
С продвижением отверждаемого слоя внутрь, усадочные напря-
напряжения снижаются, а локальные не зависят от расположения слоя и растут
с повышением температуры. При достижении слоем нейтрального
сечения (на расстоянии x = -sj('JS), где S - полуширина слоя), в нем не
образуются усадочные напряжения И действуют только локальные.
При дальнейшем продвижении отверждаемого слоя за ней-
нейтральное сечение, в нем уже возникают усадочные напряжения сжатия,
которые уменьшаются встречными локапьными напряжениями от вклю-
включений породы. В случае включений матового угля (которые
сокращаются), их воздействие на окружающую массу кокса носит
противоположный породным частицам характер. Между греющей стеной
и нейтральным слоем локальнее напряжения вызывают сжатие
окружающей массы, что уменьшает усадочные напряжения. За нейтраль-
нейтральным сечением локальные напряжения сжатия усиливают усадочные
термические напряжения сжатия, неустойчивость к этим напряжениям у
кокса значительно выше, чем к растягивающим. Таким образом, при
любой природе включений наибольшую опасность вызывают напря-
напряжения в пристенном слое, что подтверждается образованием трещино-
трещиноватой головки куска кокса. При этом усадочные и локальные напряжения
действуют как векторы:
<т„ =а,. +С.,
C.27)
Рис. 3.3 Термические напряжения в коксе.
Вместе с тем, для оценки локальных напряжений необходимо
учитывать воздействие образующихся при измельчении включений
реальной формы. Для первого рассмотрения примем положение
включения породы в нейтральном слое. Подставим в ранее полученное
Уравнение C.9) вместо условного диаметра включения dy удвоенное
расстояние от центра включения до веригины. Тогда допустимый размер
68
3. Фпрлт/мишннс внутренних напряжений, упрууо-прпчпосптых н фнмко-хнмнческнх свппспш кокса
3.1. Напрасы теории /(мщиировапин внутренних напряжений в нрт/ессс <юразпвання ткса
69
включения (стороны основания пирамиды или призмы правильных
форм) опишется уравнением
C.28)
где \\) - коэффициент формы включения.
1,8-
1,6-
¦8-
1
¦9-
-а-
I
1,0-
0,8-
0,6-
0,4-
0,2-
i I I I I 1 I Т
10 20 30 40 50 60 70 80
угол, град
Рис. 3.4 Зависимость коэффициента формы от угла при вершине {а) или между стороной и
диагональю: I ромбическая npuwia; 2 - правильная треугольная пирамида: 3 правильная
четырехугольная пирамида.
Значения \\1 определяются из геометрического рассмотрения
включения заданной формы в шаровой области диаметром D и для
правильных фигур приведены в табл. 3.3. Коэффициент формы
учитывает величину угла при вершине включения, вызывающего
максимальные напряжения в теле и соотношение размеров включений.
Зависимость у от угла при вершине треугольной и
четырехугольной пирамид приведены на рис. 3.4. В обоих случаях - с
увеличением угла при вершине пирамиды увеличивается значениея \\i и,
следовательно, допустимы большие размеры стороны основания.
Аналогичный характер имеет зависимость Ц1 от угла между стороной и
диагональю ромбической призмы.
Таблица 3 3
Значение коэффициента формы \|/ для различных включений
Плоские фигуры
Вид
Круг -
Правильный
треугольник
Квадрат
Ромб
Многоугольник
правильный
Значение
Ч'
1
0,865
0,715
':cosP
sin 180/п
Объемные фигуры
Вид
Шар
Конус
Пирамида с правильным
треугольным основанием
Пирамида с правильным
четырехугольном
пснонаннсм
Kv6
Призма ромбическая при
\=\
n-угольная призма с
правильным основанием
Значение <р
1
3
Ах
1,5
(tg2ih-h)'-
1,5
ug-%-»'•¦
0,58
1
Dcos:p+ I)'-
1
(.т! + l:sin2|H",,)'2
Примечанием - угол при вершине пирамиды: р -минимальный угол между сторона» и
диагональю: х — кратность превышения высоты под сню/юной основания.
Для суждения о направленности действий включений разной
формы на показатель ц/ представлен рис.3.5, из которого следует, что
независимо от формы, за исключением шаровой, каждому виду
включений присущи и высокие, и низкие значения коэффициента vj/ в
зависимости от угла при вершине включения, соотношения высоты и
стороны основания, вида основания. Наиболее узкий, с низкими
значениями у диапазон, имеют включения призматической формы.
Рассматривая термические напряжения при вершинах, ребрах и
гранях включений, необходимо ориентироваться на наиболее опасную из
70
3. Фпрлпцхмшине внутренних нинрн.шеныы. ytit>y,'n-itpo4Hi>cnuiiitx n фнлшп-химичсскнх антанв кикса
них - вершину с наименьшим углом. Приемлемой областью значений vj/
для реальных включений представляется диапазон 0,2-0,4.
При взаимодействии усадочных и локальных напряжений в
коксуемой загрузке по ширине слоя, суммарное напряжение в районе
действия включения можно выразить уравнением:
а.. = —
? C с S2
a(K+2)K
D-d,.
C.29)
О ОООО
II II II II II
о"
II
о
II
II И II
X X ><
§
и
а
и
a
f
а
а
*-" о" о" о
Ф 1чпс1оф шнэпппффсо)!
111
j >< (D
3. /. Hi тросы теорию /рорииргншння щут/жш/нх нап/зялгстт в прщессе мраммамт кпкса
71
откуда
D¦lab
2)А:
C.30)
С учетом усадочных напряжений в зоне действия локальных,
допустимый размер включения, аналогично уравнению C.28), можно
выразить
C.31)
а(К + 2)К
Еке„К,+\а\-
а(К + 2)К
Уравнение показывает, что допустимый размер включения зависит
от количества приходящегося на него кокса. Чем ниже концентрация, а
следовательно размер D, тем крупнее могут быть зерна. Допустимый
размер включений увеличивается с повышением предела прочности
кокса и уменьшением модуля упругости.
Проверочный расчет по формуле C.31) показал, что при
взаимодействии усадочных и локальных напряжений, а также с учетом
реальной формы включений, их критические размеры уменьшаются в 3-8
раз, в сравнении с полученными без учета указанных факторов. Так
например, в образце кокса диаметром 30 мм зерно породы шаровой
формы может вызывать образование трещин, если оно имеет размер 1,18
мм. Критический размер породного зерна по форме, близкой к кубу,
составляет 0.93 мм.
Используя разработанный метод расчета, можно определять
верхний предел крупности породных и матовых зерен углей в шихте и
учитывать его при установлении уровня измельчения углей для
коксования.
3.1.4. Влияние технологических факторов на величину внутренних
напряжений в коксе
Исследована зависимость упруго-прочностных свойств кокса от
уровня измельчения шихты и соотношения в ней крупных и мелких
классов. Шихта измельчалась в одном случае до 3 мм, в другом до 1,5 мм.
72
3. Фприи/хмишие anynijxmiHX напрмлсешт, унру.ч^нричносашых н фнткП'Хчмнческих сштста к/носа
3.1. Нопросы тенрап ^юрлшрчылты внутреютх папряжетт в процессе (юраюваччя кпкса
73
После рассева шихт на два класса (>0,5 и <0,5 мм) производилось их
смешивание в разном соотношении и коксование (табл.3.4).
При укрупнении шихты кокс имеет более плотную структуру с
большей прочностью на разрыв. Для повышения термостойкости кокса из
этой шихты содержание пыли в ней должно быть на уровне 40-50%.
С уменьшением крупности угольной шихты происходит снижение
упругости и прочности кокса на разрыв вследствие увеличения числа
контактных участков между угольными зернами, снижение плотности и
спекаемости загрузки.
В полузаводской динасовой печи с шириной камеры 450 мм
проведены коксования с различными скоростями, а также при изменении
плотности насыпной массы шихты и ее состава (табл.3.5).
Данные первой группы опытов показывают снижение модуля уп-
упругости и прочности кокса с повышением скорости коксования, что мо-
может быть объяснено, при одинаковой конечной температуре коксования,
меньшей завершенностью формирования углеродистой структуры кокса.
Вторая группа данных свидетельствует о повышении упруго-
прочностных показателей кокса с ростом плотности насыпной массы
загрузки. Однако при пониженной температуре обогрева (третья группа
опытов) получен противоположный результат, вероятнее всего, вслед-
вследствие недостаточной скорости коксования.
Таблица 3.4
Упруго-прочностные свойства кокса из шихты разной крупности
Таблица 3.5
Упруго-прочностные свойства полузаводского кокса
Coo
IIICHH
КЛЙ<
Kpyi
in.
>0.S
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
ГНО-
e, %,
:сов
IIOC-
MM
<0.5
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Измельчение < J мм
Модуль упругости,
E. МПя
1758
1888
1931
1994
1895
1749
1930
1998
1996
2020
1892
Прочность на
разрыв \sp\, кПа
451
471
559
549
598
549
549
549
579
530
530
Прочность на
сжатие \sc\, кПа
1471
1776
1942
2109
2286
2188
1972
2237
2119
1844
1825
Кажущаяся плот-
плотность, gK, г/см3
0,97
0,98
0,99
1,03
1.02
1,01
0,97
0,99
1,00
0,95
0,95
3
2,62
2,53
3,31
2,83
3.26
3,22
2,92
2,80
2 99
2.69
2.83
Измельчение <1,5 мм
Модуль упругости
Е, МПя
931
852
990
910
867
955
771
882
9^4
954
1002
Прочность на
разрыв \sp\, кПа
235
206
275
265
235
245
255
294
226
304
343
51
«
1 *
с- С
й =
0,77
0,77
0.83
0.80
0,78
0,77
0,80
0,81
0,78
0,84
0,83
го
о
5-
2,59
2.46
2,86
2 99
2,78
2.59
3.44 j
3.42 j
2,48 J
3,27
3.46
Группя
1
2
3
4
h
s
=
CG
К
U
НТМК
100
НТМК
100
НТМК
100
НТМК-90
ОС-10
НТМК-80
ОС-20
НТМК-70
ос-зо
о
S
в .
2 ,2
i 3
II
лот
с
680
680
680
680
680
730
730
680
730
730
680
680
680
Условии коксования
? <§
н °
1200
1250
1300
1350
1350
1350
1350
1200
1200
1200
1350
1350
1350
рятура конца
совяння, °С
м
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1020
1020
1000
1000
1000
Период
ования, час.
оке
16,92
15.25
13.17
12,17
12,17
13,17
13,17
16,92
17,00
17,50
12,08
12,00
12,00
§ =
S Ш
в *
с о
cj a
26,6
29,5
34.2
37,0
37,0
34,2
34,2
26,6
26,5
25,7
37,2
37,5
37,5
Модуль
ругостн, МПя
Б
1785
1737
1615
1577
1577
1581
1600
1785
1591
1578
1649
1663
1727
If
с
с
4,9
4,4
4,8
4,7
4,7
5,2
5,3
4,9
4,8
4,8
4,2
4,5
5,0
¦дел прочности
сжатие, МПа.
?:
18:4
14,3
13.6
15,1
15,1
14,2
15,0
18,4
15,4
14,5
12,8
11,8
16,6
Кажущаяся
отность, г/си1
с
0,93
0,86
0,88
0,87
0,87
0,88
0,90
0,93
0,90
0.89
0,86
0,91
0,95
Четвертая группа данных демонстрирует изменение свойств кокса
при введении в шихту НТМК различного количества угля марки ОС ОФ
Анжерской: по мере отощения шихты (от 10 до 30%) увеличивается
жесткость, прочность и кажущаяся плотность.
Таким образом, определяющие упруго-прочностные свойства
кокса внутренние напряжения можно регулировать средствами подго-
подготовки углей и условиями их коксования.
3.2. Формирование и технологическое значение
физико-химических свойств кокса
К числу важных характеристик, влияющих на технологическую
Ценность кокса, относят его физико-химические свойства — реакционную
способность (PC), удельное электросопротивление (УЭС), пористость
74
X Фи/ипдхкинте tinvm/Kimiix напряжешш. ynpysti-HjvMittcmiiMX п фтнкп-хгшнчесмх сютстя кпксо
(П), газопроницаемость (Г) и др. По их изучению накоплен большой, но
разнохарактерный и противоречивый материал.
В отношении кокса термин "реакционная способность" приме-
применяется для обозначения его способности вступать во взаимодействие с
кислородом, двуокисью углерода или водяным паром [82-84]. В целях
международной стандартизации принято решение определять PC по
отношению к СО2 [84].
Первоначально считалось, что PC кокса имеет значение как перед
фурмами (в зоне сгорания), так и в шахте доменной печи. Поскольку в
доменной печи высота столба кокса больше, чем в любых других
агрегатах, полагали, что необходимо достигать высоких температур в
относительно небольшой зоне печи, а это возможно в случае применения
кокса с высокой PC [85-87].
В последнее время вопрос об уровне PC приобрел особо важное
значение в связи с интенсификацией доменного процесса и применением
заменителей кокса: пылеугольного топлива, мазута, восстановительных
газов. Считают, что PC может явиться фактором, определяющим расход
кокса и производительность доменной печи [88,89].
Изучение влияния PC кокса в различных процессах затруднено
из-за отсутствия закономерностей формирования его физико-химических
свойств. Влияние различных факторов изучено совершенно недоста-
недостаточно. Остаются неясными вопросы о влиянии спекаемости, противо-
противоречивы сведения о влиянии микроструктуры кокса и др.
Появился значительный интерес к электрическим свойствам кокса,
в частности к УЭС. Это вызвано, с одной стороны, необходимостью
оценки кокса как восстановителя в электротермических процессах, с
другой - для характеристики упорядоченности углеродистой структуры
вещества. Последняя отражается как в электросопротивлении, так и в
реакционной способности. Поэтому УЭС и PC являются сопряженными
свойствами.
Для решения практического вопроса о путях регулирования
физико-химических свойств кокса в ВУХИНе выполнено системати-
систематическое исследование закономерностей изменения PC и УЭС в зави-
зависимости от качества углей, условий их подготовки и коксования.
Исследования проводили на коксах из углей разной степени метамор-
метаморфизма и шихт, составленных с учетом получения коксов с разными
физико-химическими свойствами. Изучено влияние PC на ход доменного
процесса в печах малого объема.
3.2. 0tt/}.\nijKniainie и техпшпгнческне точение фпшкг^-хилтческих ouihcma кпкса
75
3.2.1. Зависимость физико-химических свойств кокса от степени
метаморфизма углей
Отметим, прежде всего, аналогичный характер изменения PC и
УЭС кокса в зависимости от степени метаморфизма взятых для его
получения углей (рис.3.6). Наиболее высокие их значения свойственны
коксам из крайних составляющих ряда (газового и отощенного углей).
При переходе к коксам из углей средней стадии метаморфизма
(коксовому и жирному) PC и УЭС снижаются.
Отмеченные закономерности обусловлены особенностями сос-
состава, строения исходного угольного материала и его пиролиза. С повыше-
повышением степени метаморфизма, адсорбционная способность достигает
минимальных значений у жирных и коксовых углей [90]. Последние
также имеют минимальную истинную плотность, пористость и удельную
внутреннюю поверхность [91,92], что приводит к снижению химической
активности угольного вещества.
Удельная внутренняя поверхность и адсорбционная способность
вновь увеличиваются у слабоспекающихся и тощих углей, что обуслов-
обусловлено возрастанием пористости и микротрещиноватости [91]. Коксы
наследуют микропористую структуру углей и сохраняют соотношение по
сорбционной и реакционной способности, существующее между исход-
исходными углями.
2.0-
1500-1
1.0-
0.5-
20
25
40
Выход летучих веществ. Vй1. %
Г I Г I 1 I
7.8 f.6 1.4 1.2 1.0 0.8
Отражательная способность (R)
Рис. 3.6 Изменение электросопротивления (I) и реакционной способности B) кокса в
зависимости от степени метаморфизма углей.
76
3. Фщшн/нкатн,- «нут/ищних напряжений, унру.у)-п/ючшюнных и фнчнк/у-питчиских auriiamt k
Вместе с тем, увеличение плотности структуры кокса из жирных и
коксовых углей в связи с большей их спекаемостью приводит к
увеличению электропроводности и, в свою очередь, способствует сни-
снижению PC кокса. Наоборот, чем меньше спекаемость углей и менее
плотный контакт между остаточным материалом угольных зерен или
микрокомпонентов в зерне, тем больше дефектов в структуре вещества
кокса, выше его PC и УЭС. Особенности углей, обусловливающие
физико-химические свойства кокса, отчетливо проявляются в шихтах,
составленных на основе или с их участием. PC и УЭС линейно зависят от
толщины пластического слоя шихт (рис.3.7). При близких значениях
толщины пластического слоя проявляется влияние его кажущейся вязкос-
вязкости, выхода летучих веществ и молекулярного строения вещества угля. PC
и УЭС кокса можно повышать с помощью углей в большей мере газовых,
в меньшей отощенных, или понижать хорошо спекающимися углями.
3.2.2. Взаимосвязь физико-химических свойств кокса и его
рентгеноструктурных параметров
Результаты нижеприведенного исследования относятся к 6
промышленным партиям коксов, испытанных доменной плавкой или в
электротермическом производстве фосфора [88,93], в том числе:
производственного НТМК, из шихт без газовых углей и с участием 50%
3000-
<п 2500
I
1
§ 2000-
I
1500
О
о
«¦ 0.8-j
2 0.7-
"8
I 0,64
(К
1
о
0.5-
5 0.4-
(б
~i 1 1 1 1 1 1 1 г
10 15 20 30 35 10 15 20 30
Толщина пластического слоя, y мм
Рис. 3. 7 Изменение 1йектросопротивления (а) и реакционной способности (б) кокса в
зависимости от толщины пластического слоя угольных шихт: I бинарные смеси(Г+Ж);
2 - тройные смеси (Г+ЖЮС).
e н тчхннтгическпе Jnaveime <1ш]нн*х11\п1чееких с
77
газовых углей Г6; из 100% газового угля ш. им Кирова и из шихты с 55%
слабоспекающегося угля ш. им.7 Ноября; из угля 2СС разреза им 50-летия
Октября, полученного на сланцеперерабатывающем комбинате "Кохтла-
Ярве" (Эстония).
Оценка физико-химических свойств и рентгеноструктурная харак-
характеристика коксов производились известными методами (табл.3.6,3.7).
Самой высокой прочностью пористого тела обладает кокс из угля 2СС. С
увеличением в шихтах газовых углей прочность кокса уменьшается.
Удалось установить тенденцию изменения физико-химических
свойств кокса в зависимости от его рентгеноструктурных параметров,
определяющих молекулярную структуру (см. табл.3.7). С увеличением
межслоевого расстояния с/„„_,, PC и УЭС возрастают, а структурная
прочность (Пс) снижается. Связь между ними описывается уравнениями
прямых с коэффициентами корреляции ^=0,491-0,621. Более тесная связь
между физико-химическими свойствами и размерами углеродистых
блоков Lc (г = 0,693-0,820). Связь PC с параметрами dmi2 и Lc оказалась
наиболее слабой (г = 0,491 и 0,802). Это можно объяснить дополни-
дополнительным влиянием на PC открытой пористости и внутренней повер-
поверхности. УЭС в меньшей мере зависит от других параметров и опреде-
определяется, прежде всего, структурой и величиной углеродных блоков.
Таблица 3.6
Характеристика углей для получения кокса
Показатели
Технический анализ,%:
Л"
V4"'
Отношение С:Н
11етрографический
состав,%:
L
Vt
Sv
I
Me
Пластомеiрические
показатели, мм:
X
V
Индекс вязкости. Па
Действительная
плотность г/см1
Mil
Гй
им.Кирова
8,2
41,6
14,1
3,0
85,0
2,0
4,0
6,0
43
15
64
1,315
1Ж26
Беловекая
10,9
37,6
14,6
2,5
81,0
2,0
5,0
9,5
21
33
143
1,351
ка угля, шахта
КЖ14
Тайбинская
8,1
24.5
17.7
1,0
51,0
18,0
23,5
6.5
27
14
21
1,361
К2
Зиминка
9,7
24,3
17,9
2,5
47,0
20,0
19,5
11.0
35
12
14
1,388
2СС ЦОФ
76
7,7
16.4
21,2
-
24,0
31,0
39,0
6.0
19
_
1,413
78
3. Ф*>11\тротнпк внутренних tuMjWMVintit, упрухшрнчыпсмиых и ifnrjUKtt-хчмчческчх сжтсам докш
3.2. Фоцип/хнюпне и технаиггнческче значение физмко-хиинчесяа
79
Таблица 3.7
Физико-химические свойства и
рентгеноструктурная характеристика кокса
Уголь, шихта, щ
которых получен
кокс
Г6 ш. им.Кирова
Шихта с 55% угля
Г6 ш. им. 7 Ноября
Шихта с 50% угля
Г6 ш.им Кирова
Производственная
шихта НТМК
Шихта НТМКбсч
газовых углей
Уголь 2СС разреза
им 50-летия Октября
Структурная
прочность, %
75,0
82,2
82,8
82,6
86,0
89,2
14..,
г- с
1,23
1,40
0,61
0,51
0,39
0,90
УЭС,
ом см
1,70
1.70
1,06
1,01
1,02
1,60
Рентгеноструктурная
характеристика
3,538
3,490
3,488
3.480
3,461
3,535
ц
14,15
14,50
17,05
15,25
16,65
14,20
1,,
40,0
46,0
40,1
42,8
37,3
43,0
3.2.3. Влияние различных технологических факторов на
физико-химические свойства кокса
Исследования выполнены на угольной шихте следующего
состава,%: Г6-55; 1Ж26-25; ОС-20. Коксования проводили в лабора-
лабораторной печи по ГОСТ 9521-75.
Таблица 3.8
Влияние плотности насыпной массы угольной загрузки на
физико-химические свойства кокса
Плотность, ki/mj
угольной
загрузки
650
700
800
875
900
насыпной
массы
кокса
465
476
508
514
530
Пс, %
65,6
66,0
74,5
77,7
80,3
PC.
СО
СО + 2СО2
0,71
0,71
0,67
0,66
0,65
У'ЭС
ом- мм*
м
2763
2514
2445
2356
Адсорбци-
Адсорбционная
способность
(по бензолу),
%
0,43
0,39
0,30
Действи-
Действительная
плотность,
r/eMJ
1,807
1,809
1.811
С увеличением плотности насыпной массы угольной загрузки
возрастает прочность пористого тела кокса (структурная прочность, Пс).
снижается PC и УЭС, а действительная плотность практически не
меняется (табл.3.8).
Приведенные данные показывают роль двух независимых
факторов: снижения пористости кокса и увеличения плотности контакта
(прочности спекания) между частицами угля. Пропорционально увели-
увеличению плотности насыпной массы угольной загрузки (р_,) растет
плотность массы кокса
р, = 0,305 + 0,246р, (г = 0,984),
что при неизменной действительной плотности указывает на снижение
его пористости. Следствием является уменьшение PC и УЭС,
адсорбционной способности и повышение прочности пористого тела
кокса
/7с = 24,8 + 61,2р, (г = 0,936)
Влияние скорости нагрева изучалось в трех направлениях: при
скорости постоянной в течение всего процесса коксования и разной на
стадиях спекания и перехода полукокса в кокс (табл.3.9).
Таблица 3.9
Влияние скорости нагревания по стадиям процесса на
физико-химические свойства кокса
Скорость нагрева,°С7мнн
на стадии
спекания
(< 550°С)
2
5
10
2
2
1
на стадии
нолукокса-кокеа
( > 550°С)
2
2
2
2
5
10
nt,% ¦
65,3
66,1
68,6
65,3
64,4
58,3
PC
СО
''co + ico,
0,72
0,71
0,67
0,72
0,74
0,76
ом мм1
м
2746
2612
2593
2746
3325
3746
Увеличение скорости на стадии спекания способствует снижению
PC и УЭС вследствие повышения спекаемости угольной шихты.
Ускоренный нагрев на стадии полукокса-кокса, наоборот, приводит к
росту PC и УЭС вследствие уменьшения степени поликонденсации
углеродистого остатка, что подтверждается элементным составом полу-
полученных коксов. С повышением скорости нагревания в твердофазной
стадии получается кокс с наименьшим содержанием углерода, малым
отношением С:Н и повышенным содержанием кислорода (табл.3.10).
Кокс, полученный при медленном нагреве на стадии полукокса-кокса, но
быстром - на стадии спекания, достигает наибольшей обу глероженности.
80
3. <PopL\mp(kkiiiite (invni/iemntx напряжными, уиру<УМ1/Я1Чипсптых и фтнкгу-хнмнческах единств кикса
^•3.2. Фпрлпдхмаппе ч тепиуюгчче'скас мочение фтнко-хихтчесхих евстепш кокса
81
При повышении конечной температуры термической обработки
углей происходит снижение PC и УЭС. Одновременно увеличивается Пс
кокса (табл. 3.11). Наоборот, снижение конечной температуры
коксования, например, для повышения PC, приводит к уменьшению
прочности.
Таблица 3.10
Влияние скорости нагревания по стадиям процесса на элементный
состав кокса
Скорость иагрсва,°С/мин
на стадии
спекания
(< 550°С)
2
5
2
на Сталин
п oji vKOKca-кокса
( > 550°С)
2
2
5
Элементный состав кокса,%
с.
95,10
96,03
94,03
н.
0,76
0,63
0,94
N.
0,95
1,02
¦0,90
о„
2,58
1,70
3,55
S.
0,61
0,62
0,58
Таблица 3.11
Влияние конечной температуры коксования
на физико-химические свойства кокса
Шахта, марка
угля
Им.Кирова, 16
Беловскаи,
1Ж26
Им 50-летия
Октября, СС
Конечная
температура
коксования, "С
700
800
950
700
800
950
Необработанный
уголь
700
800
950
пс,%
40,7
57,4
65,5
42,7
58,7
66,0
54,0
72,4
73,6
79,5
PC,
СО
СО + 2СО2
0,835
0,805
0,785
0,470
0,450
0,422
0,416
0,396
0,298
ir-i/" ом'мл'2
м
6313
5007
3029
3046
1638
>5000
>5000
4487
2760
Представляет интерес влияние выдержки кокса при конечной
температуре коксования, что должно отражать одну из стадий произ-
производства кокса - сухое тушение. Исследования выполнены при коксо-
коксовании со скоростью 2 и 10°С/мин. Изменение физико-химических
свойств кокса (табл.3.12) свидетельствуют о влиянии спекания и
обуглероженности коксового остатка, возрастающих соответственно
увеличению скорости нагревания и времени прокаливания: оба фактора
действуют в сторону уплотнения коксового вещества. Термическая
стабилизация кокса наиболее эффективна в начальный период. Пока-
Показатели PC и УЭС медленнее изменяются у кокса, полученного при
повышенной скорости коксования.
Таблица 3.12
Влияние продолжительности выдержки
на физико химические свойства кокса
Скорость
коксования
"С/мни
2
10
Продолжи-
Продолжительность
выдерж кн
при 950Ч',ч
Во выдержки
0,5
1
3
Без выдержки
0,5
Г
3
Пс,%
66,0
68,8
73,6
75,4
69,4
70,6
73,5
PC,
СО
СО + 2СО,
0,71
0,67
0,63
¦ 0,59
0,56
0,54
УЭС,
ом ¦ мм2
м
2763
1802
1330
1 186
2381
1487
1343
1267
Действи-
Действительная
плотность,
r/c\iJ
1,807
1,833
1,842
1,873
-
3.3. Влияние твердых продуктов пиролиза парогазовой
фазы на выход, упрочнение и физико-химические
свойства кокса
Твердый остаток термической обработки угля на стадии перехода
полукокса в кокс упрочняется, изменяются его физико-химические
свойства, образуется разница между фактическим и расчетным выходами
кокса('" припек") [94,95]. Существующие гипотезы по-разному освещают
это явление [96-101]. Причинами указанных изменений могут быть:
повышение плотности материала (вещества) полукокса-кокса вследствие
внутримолекулярной перестройки, вызывающей уплотнение его молеку-
молекулярной структуры [56], уменьшение размера и изменение характера пор в
процессе усадки кокса [100]; утолщение стенок пор и заполнение
микротрещин твердыми продуктами пиролиза парогазовой фазы.
Для изучения пиролиза парогазовых продуктов автором создана
автоматическая укрупненная лабораторная установка (рис.3.8) [102].
Основным элементом является цилиндрическая реторта, которая при
помощи тарелки с отверстиями разделяется на две части: нижнюю для
полукоксования угля и верхнюю для пиролиза парогазовых продуктов.
Обогрев полукоксовой и пиролизной частей реторты производится
раздельно.
82
3. Фпрмщкшаиис «нут/ки
¦ иаприженш, унрум-прнчиисптых и фпткп-пшпческих iiitiitcnm
16
Рис. 3.S Установка для пучения пиролиза: I - трос подъемного механизма: 2 стойка: 3 -
трубка для отпора мча: 4 реторта: 5- верхняя печь: б- кожух термопары: 7-
гтоотвод: 8 - секции камеры пиролта: 9 - опорное кольцо: 10 кожух с термоизоляцией:
11 - кожух для термопары: 12 - угольная загрузка: 13 - центральная трубка: N нижняя
печь: 15 - съемное дно: 16 - трубка для подвода гаю: 17 - пробка.
J.3. Н.тмти; ннк/Ыых щхмукпнт mipxinrjg п
г/мчы на H
83
Нижняя часть реторты загружается углем или шихтой E20 г) для
получения парогазовых продуктов. В верхнюю часть загружается кокс в
измельчении >3 мм, который служит насадкой в камере пиролиза и
одновременно предназначается для исследования динамики отложения
пироуглерода, прочности и физико-химических свойств. Камера
пиролиза может быть разделена на несколько секций при помощи
сепараторов.
После загрузки реторта устанавливается своей пиролизной частью
в верхнюю печь, разогрев которой производится со скоростью 10
град/мин. В период разогрева верхней печи в камеру пиролиза подается
очищенный азот для того, чтобы исключить горение кокса. По
достижении температуры 700°С нижняя печь, предварительно нагретая
до температуры 550°С, ставится в рабочее положение. С началом
газовыделения подача азота прекращается. Опыт заканчивается при
температуре в центре угольной загрузки 500°С с выдержкой при этой
температуре 30 мин.
Основным источником пироуглерода, образующегося на
поверхности кокса в процессе пиролиза, является первичная смола угля,
используемого для полукоксования, как наименее термически устой-
устойчивый продукт парогазовой фазы. Поэтому естественно предположить,
что количество пироуглерода, образующегося на поверхности кокса,
находится в зависимости от выхода и термической устойчивости первич-
первичной смолы. В связи с этим выполнены соответствующие анализы углей,
использованных при исследовании (табл.3.13). Выход первичной смолы
определялся в условиях, аналогичных условиям полукоксования в
описанной установке.
Таблица 3.13
Характеристика углей, используемых для полукоксования
Уголь
Кюеловекий, ПК
ш Абашевская, Ж
Ш. №9/15, ОС
Технический анализ,%
Ad
10,1
8,8
6.5
Уголь
кичсловский, ГЖ
ш.Лбашеиская. Ж
Ш. №9/15, ОС
Bmvi
S"
3,50
0,70
0,60
у"
44,0
33,4
15,3
и первичной смо
1 Я
9,3
1,7
'Элементный состав, %
С,
84,42
86,14
91,02
|Ы,%
н„
6,03
5,64
4,32
N.
1,31
3,18
2.12
S,
2,12
0,77
^_О70_
о„
6,12
4,27
1,84
Коксовое число, %
27,3
25,1
20,6
Термическая устойчивость смолы определялась по методу
ВУХИНа и характеризовалась "коксовым числом", т.е. выходом кокса из
J. фп/хшрпиинне miyaif)c'iiinix iiaiipjinft'iinn, упрут-прнчшх.'тн'яг и фтнко-хнлтчсскнх canficnm кикса
3.3. Дивите твердых продуют* пмрнмэа иараяаптф фазы но выхм\
85
первичной смолы при нагревании ее в смеси с прокаленным пековым
коксом до температуры 55О°С.
Для экспериментальной проверки влияния пироуглерода на
упрочнение кокса в зависимости от температуры коксования и пиролиза
выполнены следующие определения. В лабораторных условиях получен
кокс из жирного угля шахты "Абашевская " при различных конечных
температурах коксования G00, 800 и 900°С). Кокс в измельчении 6-3 мм
загружали в камеру пиролиза реторты и через него пропускали летучие
продукты полукоксования этого же угля. Температура пиролиза была на
70°С ниже температуры получения кокса.
Установлено, что с повышением температуры пиролиза коли-
количество пироуглерода (увеличение веса кокса) возрастает (рис.3.9).
Структурная прочность кокса в сравнении с исходным при этом
неуклонно повышается.
В табл. 3.14 приведены данные, характеризующие динамику
распределения пироуглерода в камере пиролиза по секциям и соответ-
соответствующее упрочнение кокса.
С повышением температуры глубина пиролиза и скорость реакций
деструкции и конденсации продуктов пиролиза смолы и газа возрастают.
Если при температуре 630°С заметное отложение пироуглерода имеет
место только в верхней секции камеры пиролиза, т.е. после прохождения
парогазовыми продуктами значительного расстояния, то с повышением
температуры заметно возрастает количество пироуглерода в нижних
частях камеры. Это показывает, что с повышением температуры фактор
времени оказывает меньшее влияние на пиролиз. Об этом свидетель-
свидетельствуют также данные о выходе пироуглерода из первичной смолы: выход
пироуглерода возрастает быстрее, чем повышается температура'пиро-
температура'пиролиза. Подобная же закономерность образования пироуглерода с повыше-
повышением температуры наблюдается при пиролизе нефтяного сырья (сырой
нефти, мазута, легких погонов нефти) [103].
Данные табл.3.14 указывают, что возрастание структурной
прочности кокса обусловлено повышением температуры коксования и
отложением пироуглерода. При повышении температуры коксования от
700 до 900°С структурная прочность увеличивается от 29,1 до 51,5%.
Вместе с тем, на каждом данном уровне температуры структурная
прочность возрастает вследствие отложений пироуглерода, причем тем
больше, чем больше прирост последнего.
0 I—
60
50
S 3
|
о
IS
о
ф
S 2
1
5
5
ч—
л
о
§
§
о
I
с
0;
I
а
- 1
1
Е
О
40
"
20
10
-
/
3 /
/
/
600
700
800 900
Температура. °С
"чс. 3.0 Динамика образования пироуглерода и упрочнения кокса с повышением темпе-
температуры пиролюа: I - количество пироуглерода (общий привес кокса): 2 структурная
проч- ноешь исходного кокса: 3 - структурная прочность кокса после пиролюа (в среднем
"о секциям)
86
3. Формирпванче виутрешшх напряжений, упруго-прачнпстных и фмзщю-хнлтческих cetmcrtm кокиа
3.3. Н.тниие ате/Мыт щюОукаюи пнргпию гюрагамнюн tJKiim на яыхпА. уйрпчиеине кокса
87
Таблица 3.14
Распределение пироуглерода в камере пиролиза и упрочнение кокса с
повышением температуры
Темпера-
Температура
получения
кокса, °С
700
800
900
Темпера-
Температура
пиролиза,
"С
630
730
830
Номер
секции
по ходу
газа
1
2
3.
4
1
2
3
4
1
2 '
3
4
Увеличе-
Увеличение массы
кокса, %
Следы
1,6
Следы
1,0
2,7
2,3
4,2
2,2
Следы
Структурная
прочность кокса,%
исходного
29,1
42,1
51,5
после
пиролиза
31,4
34,2
34,9
52,9
. 44,4
44,5
51,9
52,4
62,8
67,5 ¦
62,5
51,5
Выход
пнроуглсрода
из первичной
смолы,%
3,6
(суммарный)
8,4
(суммарный)
19,7
(суммарный)
При постоянной температуре пиролиза (рис.3.10) количество
пироуглерода и структурная прочность кокса возрастают с увеличением
количества проходящих парогазовых продуктов. При равном весовом '
количестве парогазовых продуктов количество образующегося пиро-
пироуглерода и упрочнение кокса тем больше, чем выше концентрация и ниже
термическая устойчивость первичной смолы, Так, при пиролизе парога-
парогазовых продуктов из жирного угля выход пироуглерода и упрочнение
коксовой насадки значительно выше, чем при пиролизе парогазовых
продуктов из отощенного угля.
Выполнено также исследование влияния отложений пироуглерода
на выход, прочность и физико-химические свойства кокса, полученного в
полузаводской печи из шихты,%: Г-50; Ж-10; КЖ-20; К-20; выход
летучих веществ V ''=29,3%, толщина пластического слоя 14 мм, уровень
измельчения ~ 85% класса <3 мм при конечной температуре в осевой
плоскости 950°С. Пиролиз парогазовых продуктов на коксовой насадке
производили при температуре 830°С.
По мере роста пироуглерода прочность пористого тела кокса
возрастает (рис.3. II). Эта зависимость описывается уравнением сте-
степенной функции
Y =
C.32)
где Y - относительное упрочнение,%; S - количество пиро-
пироуглерода, %; тип- константы, характеризующие свойства кокса и
пироуглерода.
Добавочное упрочнение кокса не пропорционально количеству
пироуглерода. Удельный прирост прочности, т.е. приходящийся на 1%
пироуглерода, зависит от происхождения последнего и начальной
прочности кокса. Сильнее упрочняется более слабый кокс, и более
эффективными являются начальные малые порции пироуглерода, когда
его прирост составляет -1%. Это количество соответствует отложению
пироуглерода на коксе в промышленных печах [208]. В данном случае
прирост прочности на 1% пироуглерода составил ~4%.
Изменение физико-химических показателей кокса с ростом
пироуглерода происходит с разной скоростью: резко снижается при
отложении первых 2% пироуглерода. Это свидетельствует об интен-
интенсивном блокировании различных дефектов структуры кокса, определяю-
определяющих величину реакционной поверхности пироуглеродом. По мере
отложения пироуглерода PC снижается медленнее, приближаясь к
предельному значению, определяемому химической активностью самого
пироуглерода.
Удельное электросопротивление, по мере роста пироуглерода,
снижается более равномерно, что объясняется дополнительным измель-
измельчением пробы кокса до крупности 0,3-0,4 мм.
Таким образом, твердый остаток пиролиза парогазовой фазы,
составляя относительно небольшую величину в условиях промышлен-
промышленного коксования, оказывает заметное влияние на свойства кокса. Путем
создания процессов с организованным отложением пироуглерода на
поверхности кокса можно более активно влиять на его свойства.
3.4. Упрочнение кокса при его тушении парами жидких
продуктов переработки угля и нефти
В укрупненно лабораторных условиях на установке (рис. 3.9) изу-
изучена эффективность обработки кокса пироуглеродом, образующимся в
результате пиролиза отдельных углеводородных жидкостей как при пос-
постоянных температурах, так и в процессе тушения (охлаждения) кокса [105].
В нижнюю часть реторты загружали фарфоровую насадку, в
верхнюю часть - кокс в различном измельчении. Углеводородную жид-
жидкость равномерно подавали на фарфоровую насадку. Образующиеся при
испарении парогазовые продукты поднимаются в камеру пиролиза и
проходят через слой нагретого до определенной температуры кокса.
Для проведения пиролиза при постоянной температуре кокса
разогрев верхней части реторты производился до температуры в центре
88
3. Фармир/ниник.1 внутренних напряжений, упру,чыцючшминых и фиткп-хшшческих сгншслт
3 4. Упражнение кикса при его тушении iiu/xluh жидких прадукяюв переработки уг.м и нефти
89
загрузки кокса 700°С. В это время нижняя печь, предварительно нагретая
до температуры 500°С, устанавливалась в рабочее положение. Далее,
температура нижней печи поддерживалась на этом же уровне, а верхняя
часть реторты продолжала нагреваться до заданной по программе темпе-
температуры в центре загрузки кокса 800°С. Затем в нижнюю часть реторты на
фарфоровую насадку начинали подавать углеводородную жидкость для
испарения и пиролиза. Опыт продолжался в течение двух часов.
70
65
3?
I
о
о
| 60
О
4 -
3 ~
2 -
I
I
•о
8
/
/
/
/
/
/
/
/
/ J
1 1
1 1
1 1
1 1
1 1
\ 1
1 1
1 1
1 / /
- II /
•
•
У
1/
\/
у
/
/
/ '
/ /
/ /
1
2 /
У
/ 1 J
/ у
1 /
/б /
/ V
f Jr
/
/
/
/
/
/
/
/
J>
/
1 -
0 100 200 300
Количество парогазовых продуктов, г
Рис. 3.10 Изменение аыходн пироуглерода и структурной прочности кокса в итисшюсти \
от количество парогазовых продуктов: а уголь шахты "Апашевская": б - уголь шахты
№915: I выход пироуглерода: 2 - структурная прочность.
При проведении экспериментов с тушением кокса нагрев верхней
печи производился до температуры в центре загрузки кокса 900°С, после
чего эта печь отключалась от обогрева. Одновременно начинали подавать
жидкость для испарения и пиролиза. Тушение кокса производилось до
выравнивания температуры в центре нижней и верхней частей реторты -
500°С.
Кокс для экспериментов был специально получен в полузаводских
печах и имел невысокую прочность (М25-80%).
При пиролизе выбранных углеводородных жидкостей отмечаются
значительные отложения пироуглерода, при этом вес кокса увеличи-
увеличивается на 4,0-19,7%. Соответственно происходит его упрочнение и
снижение реакционной способности (табл.3.15).
Наибольший эффект отмечен при пиролизе антраценового масла и
пекодистиллятов как по привесу кокса, так и по его упрочнению,
снижению реакционной способности и пористости. Но, при значительно
меньшем увеличении веса, упрочнение на 1% пироуглерода оказалось
более существенным при пиролизе крекинг-остатков.
Результаты тушения кокса класса 6-3 мм парами углеводородных
жидкостей.представлены в табл. 3.16.
Самое большое отложение пироуглерода на коксе отмечено при
использовании для пиролиза крекинг-остатков. Вмеетестем, наибольшее
упрочнение кокса на 1% пироуглерода произошло при пиролизе
антраценового масла.
1.1-
§0,9
О
0,7-
0.3 J
I
In
о «м
о
I
(О
§81-
Е
,77-
о
69-
65
10
Рис. 3.11 Зависимость прочности пористого тела (I). удельного ъпектросощютивления
Р). и реакционной способности C) кокса от количества пироугяерода.
90
3. Форлтргттие внутренних напряжений. упруг(мцх>чнпстпых и фтикч-хгшических саписвш кокса
3.4. Упрочнение какса при его тушении паралт жидких продуктов переработки уг.чя и нефти
91
Таблица 3.15
Результаты пиролиза углеводородных жидкостей на коксе класса 6-3 мм
Углеводородная
жидкость
Пекодистилляты
Антраценовое
масло
Антраценовая
фракция
Крекинг-остатки
в керосине
Привес
кокса,
%
16,10
19,70
4,00
4,20
Структурная
прочность кокса,
%
Исход-
Исходного
52,30
. 52,30
52,30
52,30
После
пиро-
пиролиза
73,40
78,20
68,00
71,00
Упрочнение
%
40,40
49,50
31,20
35,70
на 1%
пиро-
углерода
2,70
2,50
7,80
8,50
Реакционная
способность
мл/г сек
Исход-
Исходного
1,43
1,43
1,43
1,43
После
пнролнм
0,85
0,58
1,08
Таблица 3.16
Углеводородная
жидкость
Пекодистилляты
Антраценовое
масло
Антраценовая
фракция
Креки н г-остатки
Привес
кокса, %
1,56
1,55
2,91
5,95
Структурная прочность, %
исходного
52,30
52,30
52,30
52,30
после
пиролиза
66,44
67,08
69,97
78,78
Упрочнение
обшес,%
27,05
29,40
33,80
50,60
на 1% ниро-
углерода
17,30
19,00
1 1,60
8,50 .
Проведен пиролиз крекинг-остатков на коксе одинаковой массы,
но разной крупности: 6-3, 25-10 и 40-25 мм. Механическую прочность
крупных классов кокса (К„) до и после пиролиза определяли путем его
испытания в малом лабораторном барабане.
где dt и d: - соответственно, средняя крупность кокса после и до
испытания в барабане.
При пиролизе крекинг-остатков на коксе крупностью 25-10 и 40-25
мм с исходной прочностью по М25 на уровне 86%, упрочнение составило
1,1%.
Представленные данные еще раз подтверждают вывод о том, что
наиболее эффективными для упрочнения кокса являются первые, в
пределах 1-2 % порции пироуглерода.
Таблица 3.17
Упрочнение кокса различных классов крупности при тушении его
парами крекинг-остатков
чрумпость
кокса, мм
6-3
25-10
40-25
Привес
кокса, %
5,95
0,06
-
Структу
ДО
н и рол in л
52,30
51,30
57,70
рная прочность,%
после
пиролиза
78,80
59,20
65,95
Упроч-
Упрочнение
50,6
15,4
14,3
Коэффициент прочности
ДО
пиролиза
-
0,69
0,68
после
пиролиза
-
0,75
0,73
Упроч-
Упрочнение, %
-
8,0
7,0
3.5. Изотермическая выдержка и сухое тушение кокса
Охлаждение кокса в УСТК сопровождается снижением его
валового выхода и загрязнением окружающей среды вредными
веществами в результате сброса избыточного теплоносителя в атмос-
атмосферу. Эти недостатки взаимосвязаны и обусловлены несколькими
причинами. Наибольшее внимание всегда уделялось так называемому
"угару" - процессу перехода в газовую фазу углерода кокса при его
взаимодействии с окислительными компонентами газового теплоно-
теплоносителя. Однако, по-видимому, есть вторая причина уменьшения выхода
валового кокса- вследствие протекающих при изотермической выдержке
в накопительной камере процессов дальнейшего уплотнения структуры
кокса, должно продолжаться выделение газа [106].
Недостаток этой информации породил представление о том, что
потери кокса при сухом тушении определяются только "угаром", кото-
который зависит от условий эксплуатации УСТК (герметичности газовых
трактов, подсосов воздуха при загрузке и выгрузке кокса и т.д.).
Литературные данные ограничены работой [107], в которой уменьшение
массы кокса определено сравнением выхода летучих веществ из кокса
сухого и мокрого тушения. Однако использовать стандартный метод
решения поставленной задачи нельзя по следующим причинам.
Во-первых, при вторичном нагреве кокса до температуры более низкой,
чем его выдают из печных камер, из общего количества -50% объема
составляют газы, адсорбированные коксом после его охлаждения, а газы
термического разложения (Н: и СН4) появляются при более высоких
температурах [108]. Во-вторых, протекающие при изотермической
выдержке кокса реакции твердофазной поликонденсации имеют низкую
энергию активации, поэтому время следует считать одним из определяю-
определяющих факторов для их протекания [109]. Время выдерживания в накопи-
накопительной камере D0 мин) значительно превышает продолжительность
стандартного анализа G мин).
92
. 0<>p.\)iijkkiaiiite внутренних напри.w
»>. упрууп-прачиоспшых и фншко-хилтческнх cfuwcntr, кокса
3.5. И'юпщптческая выдержка н vyxixi тушение кокса
93
Для корректного определения потери кокса при изотермической
выдержке в накопительной камере УСТК было поставлено специальное
исследование. Эксперименты проводили на лабораторной установке,
аналогичной описанным в [110,11 I]. Кокс получали нагреванием смеси
углей в реторте, продуваемой гелием. При достижении заданной
температуры осуществляли изотермическую выдержку и охлаждение
кокса. Выше 800°С в заметных количествах выделяется водород, азот и
оксид углерода [I 12], что позволило проводить анализ на хроматографе с
разделительной колонкой, заполненной молекулярными ситами.
Изучено влияние скорости нагрева угольной загрузки, темпера-i
туры и времени выдерживания кокса на количество и состав выделяю-J
щегося из него газа при изотермической выдержке. Для получения кокс
использовали шихту Западно-сибирского меткомбината, состоящую
угольных концентратов (К+К2) 59%, (Г17+Ж) 41 %. Качество шихть
влажность W, 4,1%, зольность А'1!, 3%, выходлетучих веществ К'а/24,3'
толщина пластического слоя У 15 мм, уровень измельчения 100% класса|
3 мм. Масса загружаемой в реторту шихты 120 г, скорость нагрева 5 и К
°С/мин, температура изотермической выдержки 900, 1000 и 1 Ю0°С. Для
каждого варианта экспериментальные данные получены из трех па-
параллельных опытов. Отклонения содержания компонентов в каждом
опыте от среднего составляли для водорода < 10%, а для азота и оксида
углерода < 15%.
Для всех экспериментов характер гаювыделения при нагреве,
изотермической выдержке и охлаждении аналогичен представленному на
рис.3.12. Выделение газа и, соответственно, уменьшение массы кокса
идет непрерывно и заканчивается только на стадии его охлаждения.
На рис.3.13 приведены данные по скорости выделения
индивидуальных компонентов газа при повышении температуры от 800
до I 100°С со скоростью 5 и 10 сС/мин. Всилу непрерывности процесса
газовыделения кривые однозначно характеризуют скорости выделения
водорода, азота и оксида углерода в начальный момент термоста-
тирования.
Скорость выделения водорода из кокса при скорости нагрева
загрузки 10 °С/мин выше, чем при 5 °С/мин и имеет максимум при 850°С.
При скорости нагрева 5°С кривая скорости выделения водорода
монотонно убывает во всем рассмотренном интервале температур.
Скорость выделения азота увеличивается с повышением темпера-
температуры, и кривые газовыделения имеют почти горизонтальный участок в
интервале 850-950°С. До указанных температур скорость выделения
азота выше при 5 °С/мин, а после практически не зависит от скорости
нагрева загрузки.
При нагреве загрузки со скоростью 10 °С/мин скорость выделения
оксида углерода из кокса выше, чем при 5 °С/мин. Кривые газовыделения
имеют минимум при 950-975° (нагрев 10 °С/мин) и 925-950°С E °С/мин).
Скорость нагрева загрузки заметно влияет на скорость выделения оксида
углерода до 950-1000°С.
Во всех опытах: при изотермической выдержке кокса скорости
выделения водорода, азота и оксида углерода экспоненциально снижа-
снижаются с увеличением времени выдерживания, аналогично представ-
представленным в качестве примера на рис. 3.14.
С повышением скорости нагрева загрузки увеличивается скорость
газовыделения всех индивидуальных компонентов при изотермической
выдержке кокса, что обусловлено относительной незавершенностью про-
процессов поликонденсации вещества полукокса-кокса, для протекания
которых требуется время [107]. Скорость выделения водорода умень-
уменьшается, а азота и оксида углерода увеличивается с повышением
температуры изотермической выдержки. При изотермической выдержке
общий объем газа в значительной степени определяется объемом
водорода и, как следствие, имеет такую же зависимость, что и водород
(рис.3.15). Массовый выход компонентов оказывается сопоставимым
15
1.0
о
1
газа. ',
Выделение
СП
0
/
/ а
/
б
в
800 900 100 10 20 30 40 900 800 700 600
Температура, °С Время, мин Температура, "С
inc. 3.12 Выделение газа in кокса при его нагреве (а), изотермической выдержке (б) и
охлаждении (в): скорость нагрева загрузки 5°С/лшп. температура изотермической
выдержки Ю00°С. скорость охлаждения загружи ЮТ/мин.
J. Фа))мыр<иилтс aiiytupeiiinix напряжений, упру.чыцтчшктиых и фнзнкп-хшшческнх сапйстн кокса
0,03
0,02
0,01
10
3 4
01
О
ф
о
с;
(б
!
о
о
о to
(в.
800
900
1000
Температура, °С
111
3.5. Нттер.\шччская выдержка и сухи
95
Рис. 3.13 Скорость выделения компонентов .-аза при нагреве кокса со скоростью Ю"С/М1Ш
(I) и 5°С/мин B): а водород: 6 - азот: в - оксид углерода.
из-за существенно большей плотности азота и оксида углерода, по
сравнению с плотностью водорода. Меньший интервал изменения
данных по массовому выходу газа, по сравнению с объемным выходом,
обусловлен различным влиянием температуры выдерживания на выде-
выделение индивидуальных компонентов. При скорости нагрева угольной
загрузки 5 °С/мин выход массы газа из кокса увеличивается с повыше-
повышением температуры изотермической выдержки, а при 10 °С/мин мини-
минимальный выход при 1000°С и максимальный при 1100°С.
Для всех условий проведения экспериментов (скорость нагрева
загрузки, температура и продолжительность изотермической выдержки)
получены следующие данные по содержанию индивидуальных компо-
компонентов в. газе, % (объемные доли): водорода 73,5-89,3, азота 5,4-15,4,
оксида углерода 4,1-1 1,1. Объемное содержание водорода в газе сни-
снижается с уменьшением скорости нагрева загрузки (за исключением
900°С) и с увеличением времени изотермической выдержки. Противо-
Противоположную зависимость имеет содержание азота.
Содержание оксида углерода в течение изотермической выдержки
сначала несколько увеличивается, затем практически не изменяется.
Влияние скорости нагрева заметно только при I 100°С - содержание
оксида углерода возрастает с уменьшением скорости нагрева.
На основании полученных данных можно определить количество
газа, выделяющегося при изотермической выдержке кокса в накопи-
накопительной камере УСТК. За 40 мин ''потеря" массы кокса в результате
выделения летучих веществ составит 0,46-0,55%, объем газа 13,5-30,5
м /т кокса следующего состава,% (объемные доли): водород 75-92, азот
2-13, оксид углерода 3,5-11. Такое снижение выхода валового кокса
объективно обусловлено процессами, протекающими в коксе при его
изотермической выдержке и не связано с техническим состоянием УСТК
и технологической культурой его эксплуатации.
Было установлено, что выделение газа происходит не только при
изотермической выдержке, но и при охлаждении кокса в камере тушения.
Скорость нагрева загрузки при получении кокса также была принята 5 и
Ю °С/мин, конечная температура нагрева 1000°С. Охлаждение кокса и
анализ газа осуществляли как непосредственно после окончания нагрева,
так и после 40 мин изотермической выдержки. Охлаждали кокс со
скоростью 10 °С/мин.
Скорость выделения водорода ниже при меньшем темпе нагрева и
существенно снижается при наличии предварительной изотермической
выдержки. Полное прекращение выделения водорода отмечается в
интервале 800-700°С (рис. 3.16). Аналогичная зависимость наблюдается
Для оксида углерода, выделение которого прекращается при 850-700°С.
Процесс охлаждения кокса сопровождается выделением азота во всем
исследуемом интервале температур. Скорость нагрева загрузки при
96
3. Форимрпщгт** внутренних ишцшжсмый. упруго-проч/юсшнтх ы фжшкп-хн.\тческих свойсжв к
40
60
80
100 120
Время, мин
3.5. Изптфктческая лыЛержка u cyxtie тушение кикса
97
1.8 г-
1.4 \-
1000
900
800
Рис. 3.14 Скорость выделения компонентов л»?я при юотермической выдержке A000"С)
кокса: I - водород: 2 - atom: 3 - оксид углерода: скорость нагрева загрузки при получении
кокса 5°С/лшн.
700
Температура. °С
"не. 3. IS Скорость выделения компонентов .:юа при охлаждении кокса 6ei изотермической
выдержки (I) и после изотермической выдержки B): а водород: 6 азот: в оксидysnepo-
да'. сплошная и пунктирная линии скорость нагрева загрузки соответственно 10 и
5 "С'мин.
98
mympemmx iiimpmtnuittii. \,щ>у,ч>-Н1юч1ЮСМ11ых и фнять-хн.\тческнх скапстк кокса
получении кокса слабо влияет на скорость выделения азота. Изотер-
Изотермическая выдержка приводит к уменьшению последней только в
начальный период охлаждения (до 900°С), а в дальнейшем скорости
газовыделения практически одинаковы независимо от условий
эксперимента.
При охлаждении кокса выделяется газа 7-9 м3/т. Изотермическая
выдержка кокса перед охлаждением приводит к уменьшению объема
выделяющегося газа до 2-3 м'/т и снижению потери массы кокса до
0,11-0,12%. Основные закономерности газовыделения, полученные при
изотермической выдержке кокса, сохраняются и при его охлаждении.
Более высокая скорость нагрева загрузки приводит к увеличению выхода
газа, объем водорода превышает объемы других компонентов, но
массовые выходы водорода, азота и оксида углерода отличаются]
незначительно.
При отсутствии изотермической выдержки объемное содержание
компонентов составляет, %: водорода 85-90, азота 4-9, оксида углерода
5-6. Предварительная изотермическая выдержка приводит к снижению
содержания водорода до 70-80% и повышает содержание азота до 12-23%
и оксида углерода до 6-10%. Чем ниже конечная температура коксования,
тем меньше в выделяемом газе водорода и оксида углерода и больше
азота.
Изучено влияние свойств угольной шихты на газовыделение при
изотермической выдержке кокса. В качестве базовой была использована
производственная шихта НТМК следующего марочного состава, %:
Г+ОС-25; Ж+ГЖ-35; К-20; К2-20. Остальные смеси получены
добавлением к ней кузнецких углей различных технологических групп
(табл. 3.18).
Таблица 3.18
Состав шихты
Шихта НТМК
75% ш НТМК+25% К2
80% ш.НТМК+20% Ж
60%шНТМК+40%П7
Технический анализ, %
W,
1,6
1,7
1,6
1,0
26,0
24,3
27,6
29.8
Ad
9,4
9,1
9,9
8,6
V, мм
16
13
17
15
Исследуемые смеси по выходу летучих веществ и толщине
пластического слоя охватывают возможные значения соответствующих
показателей производственных шихт из углей Кузнецкого бассейна.
Скорость нагрева загрузки составляла 5 °С/мин, температура изотерми-
изотермической выдержки 1000 °С. Отклонения выхода газа в отдельном опыте от
среднего по всем экспериментам не превышает 3-4% (табл. 3.19).
3.1. Чите
т выдержка и cyxtte myuteime кокса
99
Время, мин
10
20
.30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
Таблица 3.19
Выход летучих веществ из ишхты,%
24,3
0,210
0,356
0,467
0,561
0,644
0,719
0,789
0,856
0,921
0,987
1,054
1,124
26,0
0,224
0,375
0,487
0,583
0,669
0,749
0,827
0,905
0,987
1,068
1,148
1,226
27,6
0,235
0,391
0,503
0,598
0,681
0,757
0.828
0,895
0,960
1,024
1,090
1,156
29,8
0,227
0.382
0,498
0,594
0,677
0.754
0,825
0.830
0.960
1,026
1,164
1,164
Средний
выход летучи»
веществ из
кокса,%
0,224
0,376
0,489
0,584
0,608
0,745
0,817
0,872
0,957
1,026
1,114
1,168
В отличие от выхода газа при изотермической выдержке кокса,
выход коксового остатка при коксовании обратно пропорционален
выходу из шихты летучих веществ. Коэффициент корреляции между
указанными параметрами составляет г = -0,978. Известно, что остаточ-
остаточный выход летучих веществ из смесей углей подчиняется правилу
аддитивности и следует за аддитивным изменением промежуточных и
конечных продуктов коксования. Это связано с механизмом поверх-
поверхностного спекания остаточного материала угольных зерен, в результате
чего основная масса последних пиролизуется обособленно, а молеку-
молекулярное взаимодействие смешиваемых компонентов не отличается от
взаимодействия в массе каждого компонента [307]. Поэтому отсутствие
линейной зависимости между выходом газа при выдерживании кокса и
выходом из шихты летучих веществ можно объяснить различным
соотношением количества жидкой и газовой фаз, образующихся при
деструкции смесей углей с различными технологическими свойствами.
Таким образом, уменьшение выхода валового кокса и образование
избыточного теплоносителя обусловлены не только "угаром"' кокса, но и
процессами уплотнения его структуры при изотермической выдержке и
частично при охлаждении. Потери кокса, в отличие от угара, не связаны с
техническим состоянием и культурой эксплуатации УСТК и зависят от
скорости, конечной температуры коксования и времени изотермической
выдержки кокса в накопительной камере.
Из этого следует, что при разработке новых технологических
процессов охлаждения кокса без использования промежуточного газо-
1
100
3. 0/t/X4iijXKtaniie тут/миншх напрмжатп. упругп-пртткмных It фнмке^тмическнх свийспм кикса
вого теплоносителя, таких, как частичное охлаждение кокса в
совмещенном процессе термической подготовки шихты и его тушения, а
также процесса полного охлаждения кокса теплосъемными поверх-
поверхностями, свободного от недостатков действующих УСТК, с целью
обеспечения экологически чистой и безопасной работы, необходимо
предусмотреть технические мероприятия по улавливанию и утилизации
образующихся газов при выдержке и охлаждении кокса.
3.6. Влияние механических и физико-химических
свойств кокса на ход доменного процесса
Вопрос о роли реакционной способности (PC) до настоящег
времени остается предметом дискуссий. Требование о необходимс
получения кокса с "низкой" PC является неопределенным. Подтвер
ждением служит отрицательный результат плавки на коксобрикетном
топливе с низкой PC в Польше [ИЗ]. Представляется, что существуют
определенные границы изменения PC, которые могут быть определены
опытным путем.
Для оценки реальных резервов существующей технологии коксо-
. вания по получению кокса с разными физико-химическими свойствами и
определения их влияния на ход доменного процесса, было организовано
комплексное промышленное исследование [114]. Для уменьшения влия-
влияния прочности, гранулометрического состава и других показателей, плав-
Таблица 3.20
Характеристика опытных угольных шихт
3.6. Итшше механических » фпл/к^хммнческнх св/пюил кок-са на хЫ) <-)т
101
Состав
шихт,%
1 этап
Ж-25
КЖ14-35
К2-40
2 этап
Ж-10
КЖ14-20
К2-20
Г6-50
3 этап
Ж-30
КЖ 14-35
К2-25
Г6-10
Технический анялиз,%
W,
5.7
7.1
6.5
А"
8,4
7,8
8,6
V
24,5
30.1
26,7
Пластично-вяжие свойства
X,
мм
32
45
33
V,
мм
14
12
16
Индекс
вспучи-
вспучивания,
мм
40
35
46
Индекс
BM1KOCTII,
г/см2
6,7
7,8
4,2
Уровень
измельчения
(класс
<3 мм). %
89,4
89,4
86,0
ки на коксе разной PC выполнены в доменных печах малого объема (-250
м )на Нижнетагильском меткомбинате, производящих литейный чугун.
Работа выполнена в три этапа на коксах из шихт: I - без газовых
углей, 2-е повышенным участием газовых углей E0%), 3 - сравни-
сравнительный, с 10% газовых углей. Шихты четко различались между собой по
выходу летучих веществ и по пластично-вязким свойствам (табл.3.20).
Продолжительность каждого этапа составляла 10 суток. Кокс произво-
производили сериями в печах коксовых батарей системы ПК-2К. Условия
коксования по этапам изменялись незначительно.
Повышенную механическую прочность имел кокс из шихты I,
низкую из шихты 2 (табл.3.21). По гранулометрическому составу и круп-
крупности коксы 2 и 3-го вариантов оказались практически одинаковыми,
наиболее крупным был кокс из шихты без газовых углей. Кокс с 50%
газовых углей имел в 1,5 раза более высокую реакционную способность.
Таблица 3.21
Показатели качества кокса
Показатели
Технический анализ, %:
W,
А"
v<bf
Прочность: по большому барабану, кг:
остаток
класс < 10 мм в провале
по малому барабану, %:
М40
М10
Структурная прочность, %
Гранулометрический состав, %
классы, мм;
>80
80-60
60-40
40-25
<25
Средняя крупность,мм
Плотность насыпной массы, кг/м1
Реакционная способность,мл/гс
Пористость %
1
1
3,3
11,0
0,8
320
40
70,8
9,3
86,0
28,1
43,1
22,9
3,8
2,1
70,0
570
0,39
45,5
Этапы
3,2
11.1
0,9
301
48
63,6
11,3
82,8
22,3
45,4
25,4
4,4
2,5
68,5
550
0,61
46,8
3
2,2
11,1
0,9
315
41
67,7
10,0
85,6
22,5
46,9
23.3
4.8
2.5
68,8
580
0,40
45,2
. ф(щ\т1М1вачие /utympemmx напряжений, ущ/ултручностных н фшжко'хшмчеамх ceniic/мя кпкси
Таблица 3.22
Технико-экономические показатели работы доменной печи
3,6. H.tttfitmi' механических и фтнкп-хнмическнх caniicm
J03
Показатели
Фактическая производительность
печи, т/сут.
Фактический расход кокса, кг/т
чугуна
КИПО, м'/тсут.
Интенсивность по kokcv
Содержание железа в шихте, %
Дутье: расход. нм"мин
тсмпера1ура,°С
давление, ати
Колошниковый газ:
давление, кПа
состав, %:
СО2
СО
СН4
н2
Температура чугуна,°С
Унос колошниковой пыли, кг/т
чугуна
Температура шлака,°С:
верхнего
нижнего
Скорректированная
производительность, т/сут.
Скорректированный расход кокса.
кг/т чугуна
Этапы
1
392,2
728
0,547
1,158
51,5
580
947
0,77
17,98
9,2
31,3
0,3
1,8
1391
49
1458
1418
379,7
778,3
2
359,2
787
0,598
1,158
50,9
610
924
0,77
20,40
8,6
32,5
0,4
2,1
1367
59
1412
1385
352,0
811,7
3
355,3
791
0,604
1,138
49,9
600
908
0,76
18.10
9,!
31,9
0,4
2,0
1390
48
ИЗО
1420
355,3
791,0
Прочность скипового кокса (по малому барабану) во всех случаях
повысилась: индекс М40 возрос на 2,5-4%, а М 10 снизился на 1-1,5%, он
стал более однородным по крупности. Соотношение показателей проч-
прочности и крупности скипового кокса из шихт разного состава сохранилось
таким же, как и получаемого в коксовом цехе.
Таким образом, испытанные коксы различались как по физико-
химическим, так и по механическим свойствам.
Доменная печь работала при нормальном давлении газа на
колошнике, температура дутья поддерживалась около 950°С. Состав
рудной части шихты был постоянным: 75% гороблагодатского агломе-
агломерата и 25% соколовской и высокогорской мытой руды. Величина рудной
нагрузки составляла 2-2,1 т/т кокса.
Лучшие технико-экономические показатели плавки получены на
коксе из шихты без газовых углей (табл. 3.22). По сравнению с плавкой на
производственном коксе, приведенная производительность возросла на
6,9%, а скорректированный расход кокса снизился на 1,6%.
На коксе из шихты с 50% газовых углей приведенная произво-
производительность снизилась на 0,9%, а скорректированный расход кокса
повысился на 2,6%. Отмечено уменьшение рудной нагрузки, снижение
температуры чугуна и шлака и загромождение горна коксовой мелочью.
Испытание показало, что реакционная способность кокса несом-
несомненно влияет на ход доменного процесса и технико-экономические
показатели плавки. Подтверждено, что в условиях интенсификации
лучше применять кокс пониженной реакционной способности. В преде-
пределах возможностей существующей технологии коксования, с учетом
применения сухого тушения кокса, реально получение кокса, имеющего
PC на уровне 0,35-0,40 мл/г- с. Этот вывод подтверждается также
работами [I 15,1 16].
104
4. Остхише жЖуУя\ щншымчешют прщ^са/ мксшш
4. Основные явления промышленного процесса
коксования
Несмотря на большое количество работ, основные явления и
процессы, протекающие при загрузке и коксовании углей в промыш-
промышленных условиях, изучены недостаточно. В частности, не создано теории
процессов загрузки печных камер угольной шихтой, вследствие чего нет
возможности управлять ими на научной основе. Не установлены условия
формирования потоков и пиролиза парогазовых продуктов коксования,
определяющих выход, качество химических продуктов и условия
эксплуатации коксовых печей; нет методов расчета одного из основных
параметров - продолжительности пиролиза этих продуктов в различных
зонах загрузки. Нет общего обоснованного представления о последних
стадиях формирования и конечной конфигурации коксового пирога,
отсутствуют методы расчета его горизонтальной усадки с целью прогноза
возможных затруднений при выдаче.
Эти главные вопросы промышленного процесса имеют общее
теоретическое и практическое значение, независимо от применяемых
способов подготовки углей и условий коксования. Приведенные в данной
главе результаты, полученные, в основном, в промышленных условиях на
действующих коксовых батареях, дают возможность прогноза парамет-
параметров процесса или общие методические основы для изучения его
особенностей в условиях применения новых способов подготовки
угольных шихт и существенного изменения режима коксования.
4.1. Влияние габаритных размеров печных камер на
плотность насыпной массы угольной загрузки
4.1.1. Падение частиц углей при загрузке печных камер
Свободное падение частиц в гаюаой среде
Газовая среда оказывает динамическое сопротивление, нарастаю-
нарастающее по мере ускорения движения частицы. Сила сопротивления через
определенное время становится равной гравитационной силе. Поэтому в
начале падения частица движется с некоторым ускорением, затем с
постоянной скоростью. Рассмотрим свободное падение частицы шаро-
шарообразной формы [117].
Г
4.1. H.iiiuinte гаоарипшыхразмеров печных камер на iLum
105
Как известно, сила динамического сопротивления движению
частицы шарообразной формы в вязкой среде равна (при числе
Рейнольдса Re > 500)
Fc = 0,173у(. w2 d2 D.1)
где yt.- плотность среды, кг/м3; w - скорость частицы, м/с; d -
диаметр частицы, м.
Ускорение (отрицательное), вызванное этой силой, равно
т
\пе!*уг d у,,
где у, — плотность материала частицы, кг/м ;
D2)
а
d у,.
Таким образом, при падении шарообразной частицы в вязкой среде
малой плотности ускорение движения частиц будет равно
dt
D.3)
где g — ускорение силы тяжести, м/с2.
Решая это дифференциальное уравнение при условии w=0, при t=0
получим
D.4)
или
D5)
Функция
е + е
106
4. (кшмтые utuatim п^шытиятчтпроцесса н
при увеличении х быстро стремится к 1
О 0,25 0,5 I 1,5 2 2,5 3
0 0,25 0,46 0,76 0,91 0,96 0,99 I
При tgijag > 1,5 -S- 2 скорость частицы практически не меняется,
так как гравитационная сила становится равной силе сопротивления
газовой среды. Более точное значение этой предельной скорости можно
получить из выражения
откуда
f = 54,4 Г(Уг Yc) aw/сек,
V Ус
если d выражен в см.
Путь, проходимый частицей до этого момента,
7;, ч, 0,86+1,33 ,.,.
\th(x)dx = - — D.6)
J a
Если принять для зерен шихты d= Ю'см, уг = 1,35 г/см3, тогда!
^азз_кг =г5.10_3 си_,
10"' -1,35
Следовательно, S = 3,5 -г 5,3 м.
Таким образом, угольные зерна при падении в коксовой камере
разгоняются до постоянной скорости на участке, длина которого близка к
минимальной высоте промышленных камер. Поэтому следует ожидать,
что плотность загрузки в нижней части печной камеры будет мало
зависеть от ее высоты, а средняя плотность насыпной массы (р) будет
4.1. Шнште гаоарчятых размерит вечных ка.иер на п.штшмт, насыншш .иассы угнхытЬ загружн
Стесненное падение
107
Практически в условиях коксовой камеры зерна шихты сталки-
сталкиваются друг с другом. Это приводит к дополнительному торможению и
выравниванию скоростей. Поэтому вместо у(. необходимо использовать
эффективную плотность среды у>/; >у(.
Кроме того, необходимо учитывать движение вытесняемых газов.
При объемной скорости загрузки материала V/c скорость потока
вытесняемых газов будет составлять
VBLH
BL
где В, Н, L - размеры камеры.
На эту величину уменьшится и конечная скорость зерен шихты.
Полагая, что плотность насыпной массы шихты линейно зависит от
скорости ее падения, получим, что влияние вытесняемых газов на
плотность насыпной массы шихты (при постоянной объемной скорости
загрузки) б,удет пропорционально высоте камеры. Таким образом
Н
D.8)
В зависимости от условий загрузки (величины V) может иметь
место как увеличение, так и уменьшение плотности насыпной массы
загрузки с ростом высоты камеры.
Влияние газовыделения при загрузке шихты
Сразу после загрузки успевает прогреться слой шихты, приле-
прилегающий к стенам камеры. Ширина камеры мала в сравнении с ее высотой,
поэтому газовыделением из слоя, прилегающего к поду можно пренеб-
пренебречь. Тогда скорость газов пиролиза при высоте слоя угольной загрузки //
составит
D.9)
ь
где Q- объем газов, выделяющихся с единицы поверхности стены
камеры, м3/с. Средняя скорость потока соответствует А= Я/2, так что
=а„-^ D.7)
=Q^ D.10)
о
108
e мнения HjxiuHULieiiitttrti пргщесс
а кпксншмым
Этот поток уменьшает величину плотности насыпной массы
пропорционально Н/b. Таким образом
р=а0-^-а7Н-аЛ D.11)
Н о
Влияние расстояния между люками на плотность насыпной массы
угольной загрузки
Судя по измерениям на холодной модели печной камеры, шихта
под люками уплотняется сильнее, чем между ними. Это может быть
связано с действием усилия, которое развивается при ударе падающих
частиц о поверхности неподвижных слоев шихты. Принимая, что
влияние люка сказывается на ограниченном расстоянии от него, можно
получить для средней насыпной плотности шихты выражение
р=д„
± D.12)
где п - число люков в камере длиной L; к и ап - коэффициенты.
Данный выше анализ приводит к следующему выражению
средней плотности насыпной массы шихты в печной камере:
Н
b L
D.13)
Константы в формуле зависят от режима загрузки и условий
обогрева печных камер: о? и к от скорости загрузки шихты, cij от
температуры стен печных камер и выхода летучих веществ из шихты, д/
от плотности газа в печной камере. Кроме того, константы ( в том числе
ац) могут зависеть от уровня измельчения шихты.
Таким образом, моделирование процесса заполнения печной
камеры шихтой оказывается достаточно сложным делом. Для уточнения
уравнения потребовалась проверка в промышленных условиях.
4.1.2. Плотность угольной загрузки в промышленных печных
камерах
Исследования плотности насыпной массы шихты в течение ряда
лет на предприятиях Востока и Центра России практически на всех
основных типах находящихся в эксплуатации коксовых батарей с
полезным объемом камер от 19,8 до 41,6 м', полезной длиной от 12,260 до
15,160 м, высотой от 3,970 до 6,7 м и шириной 0,407; 0,410 и 0,450 м [118].
4.1. Н.тянне габаритных/хи.че/хт печных камер на п.ютнпемн насытим массы yro.ihiiuit за.-рулкм
109
Уровень измельчения шихт изменялся от 69 до 82,5% класса < 3 мм, а
влажность в пределах 6-9%. Общее количество данных составляло 31 в
камерах 8 типов.
В результате расчета зависимости плотности насыпной массы
угольной шихты от различных факторов получено следующее уравнение:
р=-0,00000333/Г--0,00272//2- + 820,4 D.14)
b n
со средним квадратичным отклонением 9 кг/м3, что близко к
точности определения плотности угольной загрузки в промышленных
условиях. Множественный коэффициент корреляции равен 0,86, что
указывает на тесную связь плотности загрузки с факторами,
включенными в уравнение D.14).
Сопоставляя уравнения D.13) и D.14), можно заметить отсутствие
влияния высоты печной камеры на плотность загрузки вне зависимости
от других факторов. По-видимому, различные эффекты влияния высоты
компенсируют друг друга. Увеличение параметра h/b приводит к
снижению плотности. Величина этого снижения при постоянном
увеличении h/b оказывается тем больше, чем больше уровень
измельчения шихты. При увеличении длины камеры, приходящейся на
один загрузочный люк (отношение L/n), насыпная плотность загрузки
уменьшается. Скорость уменьшения тем больше, чем выше уровень
измельчения шихты.
Таким образом, выполненный теоретический анализ процесса
загрузки печей, не претендуя на исчерпывающую полноту, позволил, в то
же время, правильно определить основные факторы, влияющие на
насыпную плотность шихты в печной камере и направление их влияния.
Уравнение D.14) может быть использовано для расчета плотности
угольной загрузки на действующих производствах и при проектировании
новых коксовых батарей.
4.2. Распределение угольной шихты по плотности в
полномасштабной модели печной камеры
Установить распределение шихты по плотности в камерах
действующих печей очень трудно, поэтому с определенным приближе-
приближением исследования можно выполнить на холодных моделях [119-125].
Вносимые погрешности вызваны различием процессов при загрузке
холодных моделей и действующих печей. Газовыделение в период
загрузки нагретых камер, как показано выше, изменяет скорость падения
частиц угля и влияет на плотность его укладки. Однако в целом картина,
по
4, Осишшые ятсичл щмкмышлешикч> п/ки/есса а
4.2. РасщкМжмтугшышн шихты ttn пттшнтч а тышшасштаптш модели печной камеры
111
по-видимому, существенно не меняется, и можно допустить, что характер
распределения шихты в полномасштабной холодной модели в основном
отражает состояние, соответствующее начальному моменту после ее
загрузки.
Аппаратура и методика измерения плотности
Исследования выполнены на Магнитогорском меткомбинате, где
была сооружена полномасштабная металлическая модель камеры,
которая обслуживалась действующими коксовыми машинами (рис.4.1)
[126]. Модель имела следующие размеры, м: длина 12,320; высота 4,3;
средняя ширина 0,407; конусность 0,05. Диаметр загрузочных отверстий
430 мм.
В верхней части предусмотрены смотровые окна для наблюдения
за процессом загрузки и планирования. На боковой поверхности стены
выполнены лючки для отбора проб угольной шихты и 80 пар отверстий
для измерения плотности загрузки радиометрическим методом. Для этого
была изготовлена специальная аппаратура.
Датчик измерительного устройства выполнен в виде вилки,
имеющей два полых стержня на расстоянии 300 мм друг от друга
(рис.4.2): в одном установлен источник излучения (ампула с радио-
радиоактивным кобальтом, Со-60), в другом газоразрядный счетчик. Излу-
Излучение, проходя через слой шихты к счетчику, вызывает сигналы, которые
после усиления фиксируются пересчетной установкой.
Машинная сторона
Коксовая сторона
Рис. 4.1 Схема расположения точек: О-О для замера плотности шихты: О - люков для
отбора проб: f~l смотровых окон илюкоп г)ля наблюдения за загрузкой и планированием
Устройство предварительно тарировали на полузаводском стенде.
Установлено, что при изменении влажности шихты в пределах 1-10% и
уровня измельчения от 79 до 95% класса < 3 мм ошибка определения
плотности не превышает 1,5%. Зависимость между относительной интен-
интенсивностью поглощения гамма-излучения A:1а) и плотностью загрузки (р)
удовлетворительно описывается уравнением
/:/,, =1,130- |,067р + 0,334р2 (/-=0,980).
' Основные результаты экспериментов
Работа выполнялась на производственной угольной шихте
влажностью 7,5-8,0% с уровнем измельчения 90-92% класса < 3 мм. В
качестве оптимального установлен вариант загрузки печей, принятый на
большинстве предприятий (рис.4.3).
Наибольшая плотность шихты отмечена на поду под
загрузочными люками @,845-0,865 т/м3), наименьшая - у дверей с обеих
сторон (до 0,650 t/mj) и на поду камеры между первым и вторым загру-
загрузочными люками @,695 t/mj). Области повышенной плотности
@,755-0,800 т/м ) также располагаются под загрузочными люками: под
вторым она более широкая, чем под первым и третьим. Зоны наибольшей
и повышенной плотностей отмечены в верхнем слое загрузки, а под
вторым люком они распространяются на глубину до 0,8 м от верхнего
уровня.
Разность средних по высоте плотностей под люками и между ними
с коксовой стороны составила 0,050т/м', с машинной 0,043 т/м3, а у
дверей плотность меньше, чем под люками, соответственно, на 0,064 и
6
2/
К пересчетной
установке
Рис. 4.2 Устройство для радиометрических замеров плотности угольной загрузки: I - ру-
рукоятка: 2 держатель: 3 зкранированный пяшияааьный кабель: 4 - блок усиления: 5 -
основание: 6 - полые стержни: 7 - газоразрядный счетчик: fi наконечник: 9 - источник
"Щчения.
112
4. Основные шасччт п/юиыниашоги n/xufccca каксоа
4.2. Pacnjtedcieiiiieугшыиш шихты пп п.тпптстн а гнуиюмисштапнан
113
0,078 т/м . Максимальная разница в плотности отмечается на поду, где
она достигает 0,140 т/м3.
Аналогичные измерения были выполнены после загрузки модели
камеры, подсушенной до 4,6% влажности шихты. Для этой цели исполь-
использовали подпланирный выгреб. Общая плотность загрузки увеличилась на
0,067 т/м' (табл 4.1). Однако существенных изменений разницы плот-
плотности насыпной массы под люками и между люками не обнаружено.
Таблица 4.1
Характеристика загрузки модели камеры
Угольная шихта
„Производственная
Подпланирная
Технический ап;иип,%
7,8
4,6
Ad
9,3
9,6
Раюняя
larpyiKa,
15,1
16,4
Плотность
насыпной
массы, т/м3
0,753
0,820
Средний
ращость в
плотности,
t/mj
0.056
0,062
По-видимому, это объясняется тем, что шихта подпланирного
выгреба частично подверглась термическому разложению, осмолилась и,
в связи с этим, не полностью соответствует подготовленной при сушке
или нагреве газовым теплоносителем. В промышленных условиях уста-
установлено, что различия в плотности насыпной массы термически
подготовленной угольной шихты составляют 0,010 т/м1 [127].
По разовой загрузке и насыпной плотности насыпной массы в
модели производственная шихта с уровнем измельчения 92% класса < 3
мм соответствует шихте с измельчением 75-80% при загрузке в действу-
действующие камеры. Исходя из этого, данные о распределении шихты по
плотности в модели можно использовать при анализе промышленного
процесса коксования.
4.3. Усадка угольной загрузки в процессе коксования и
формирование коксового пирога
Теоретические и практические аспекты усадки загрузки приме-
применительно к существующим условиям подготовки и коксования углей
обстоятельно изучены Л.И.Еркиным, Е.М.Тайцем и др. [128-133,53]. На
основе этих исследований выбирают один из основных конструктивных
параметров коксовых печей - уровень перевала продуктов горения ото-
отопительного газа.
В настоящее время даже в традиционной подготовке шихт
произошли существенные изменения: укрупнился их помол, повысилась
влажность. Значительно увеличились размеры и объем печных камер.
Сказанные изменения повлияли на основной фактор, определяющий
114
4. tJcHtmitiiie uaic'intH п/тмыпиеттги щхщесеа
усадку, - плотность насыпной массы загрузки. Поэтому появилась
необходимость обобщения и анализа имеющихся по усадке данных
прежде всего, для чисто практических целей.
4.3.1. О самоуплотнении угольной загрузки
За основу для анализа усадки в промышленных камерах возьмем
типичную кривую (рис.4.4) и разделим весь процесс на три стадии:
самоуплотнения - в течение 2-3 ч после загрузки, усадки полукокса до
слияния пластических слоев на 10-11 ч коксования и усадки осевого слоя
полукокса-кокса до завершения коксования.
Прежде всего рассмотрим вопрос, относящийся к первой стадии,
по которому имеются противоречивые мнения.
Л.Хардт [134] измерением при помощи гамма-излучения уста-
установил, что в течение первых двух часов плотность загрузки увели-
увеличивается, достигая максимальных значений (900-950 кг/м), а затем
снижается, выравниваясь по высоте и к 8-9 ч достигая минимального
значения G00 kt/mj). Представляется, что полученные данные нельзя
относить только к угольной загрузке, так как по мере продвижения
пластического слоя возрастает его влияние на "среднюю" величину
отраженного излучения. А поскольку плотность пластического слоя, по
данным [135,136], значительно меньше плотности насыпной массы угля,
становится понятным "фон", который ее искажает. Пока угольная
загрузка между пластическими слоями не вовлечена в процесс терми-
термической деструкции, не может быть снижения плотности ее насыпной
массы, иначе происходил бы обратный усадке процесс.
8
10
12 14
Время коксования, ч
Рис. 4.4 Типичная кривая вертикальной усадки коксуемой ча.'ручки: yi - первая стадия
самоуплотнение шихты; у; - вторая стадия усадка полукокса: >•> третья стадия
усадка полукокса-кокса: уп общая усадка. /
4.3. Усадкаул
ружк « ttjmifeccc кпксгмшичн и фо/шн/ммюшн.'
115
На основании установленного факта большего уплотнения на 1
стадии усадки загрузки с меньшей исходной плотностью и, наоборот,
меньшего уплотнения загрузки более высокой плотности, может
создаться представление, что всякая загрузка при высушивании и
"обмасливании" стремится достигнуть некоторого максимального пре-
предела плотности, соответствующего сухой шихте. То есть в процессе
самоуплотнения вроде бы должно происходить выравнивание плотности
насыпной массы загрузки в печной камере.
Если по данным [128] рассчитать плотность загрузки после
завершения первой стадии процесса, например, в камерах с полезным
объемом 21,6 м' и высотой 4 м, то получим следующие результаты.
При исходной плотности насыпной массы загрузки 0,74 т/м3
величина усадки на I стадии составила 150 мм, т.е. объем камеры, запол-
заполненный шихтой, уменьшился в сравнении с исходным на
0,150- 0,407-13,260 = 0,8 IV
и составил 20,79 м3, при этом плотность шихты увеличилась до
@,74 • 21,6)^20,79 = 0,769т/м 3.
Таким образом, разница в плотности коксуемой загрузки сохра-
сохраняется до конца коксования. Это подтверждается и прогревом загрузки
[137]: скорость подъема температуры между люками выше и, соот-
соответственно, на 0,5-1 ч раньше происходит смыкание пластических слоев,
а к концу периода коксования температура в осевой плоскости коксового
пирога на 30-100°С выше, чем под люками. Возможной причиной
снижения уплотнения может быть воздействие движущихся по внут-
внутренним слоям загрузки парогазовых продуктов.
4.3.2. Вертикальная усадка загрузки в печных камерах разной
высоты
Для практического использования получены уравнения зависи-
зависимости абсолютных величин усадки по стадиям процесса (У/ У2. Уз) и
общей (У,,) от уровня измельчения угольной шихты ( Х/=70-82% класса
<3 мм), ее влажности,% (Х2 = 5,5-8,7), выхода летучих веществ на сухую
массу,% (Xj = 23-28) и полезной высоты печных камер, м {Х4 = 4-6,7).
У, = -35,666+1,5379 JGA>0,0089649 Л7'+0,58481 Х,Х4 D.15)
У> = -10,261+0,21186 ^,+0,014145 АО" D.16)
У, = -6,8783+0,053973 Лг,ЛуЮ,89929 Х2Х4 D.17)
116
4. ()anmm,iv шиттн щюмыииеттсн щющсса ткамшиия
У„ =-34,990+0,61947 *,*,+0,89225 Х,Х4 D.18)
Коэффициент детерминации, соответственно, 0,995; 0,865; 0,879;
0,984. Количество опытов в промышленных условиях - 19.
При необходимости уровень измельчения угольной шихты,
имеющей влажность 7-8%, может быть заменен плотностью насыпной
массы (р, t/mj) из установленных зависимостей для печей с разным
объемом печных камер [235]:
4.3. Уан>ка >.ч«мм« шгрумт в нрщаах кооптация и фариыровашк ктхщхт трпу
117
р = 0,960-0,003 *,
р = 0,860-0,002 X,
р = 0,870-0,002 X,
(до 21,6 м3); D.19)
C0-32,3 м3); D.20)
D1,6 м3).
D.21)
Для теоретического анализа усадки найдены зависимости относи-
относительной величины усадки (У, мм/м высоты загрузки).
Стадия 1.
У,'=-1,30-0,065А-,2 +0,34*, + 0,46*.,*4 ±0,92 D.22)
г3 = 0,958; 5/ = 0,835.
Усадка на этой стадии тем больше, чем выше уровень измельчения
угольной шихты и высота печной камеры; при увеличении влажности
усадка вначале растет, а затем начинает снижаться. Величина влажности,
при которой усадка наибольшая, будет тем выше, чем больше высота
загрузки, во всех случаях она находится вне пределов области экспери-
экспериментирования.
Стадия 2.
У; =17,29+0,00293*, -2,81*4 ±1,11 D.23)
/' = 0,924; 5,/= 1,2394.
На этой стадии усадка тем больше, чем выше уровень измельчения
угольной шихты и меньше высота камеры. Это можно объяснить тем, что
усадка в данном случае идет, в основном, в результате спекания оста-
остаточного материала угольной загрузки и частично нейтрализуется
вспучиванием, что в Свою очередь, зависит от плотности насыпной массы
угля после подсушки: чем больше плотность, тем больше вспучивание.
Стадия 3.
У; = 17,86+ 0,01448^*3 -3,77*4 + 1,01 D.24)
Г = 0,059; S,,2 = 1,0224.
Усадка на этой стадии тем больше, чем выше уровень измельчения
шихты, выход летучих веществ из нее и чем меньше высота камеры
коксования. То есть исходная плотность и плотности полученного полу-
полукокса определяют величину усадки в завершающей стадии процесса.
Общая усадка.
У,' =17,88+ 0,0274*, *3 -0,422*,*4 +0,0532*,*2 ±2,16 D.25)
г2 = 0,927; S,,2 = 4,6786.
Прогноз общей усадки по уравнениям каждой стадии оказывается
не более точным, чем по приведенному последнему уравнению. Полная
усадка тембольше, чем выше уровень измельчения шихты, влажность,
выход летучих веществ и чем меньше высота камеры.
4.3.3. Горизонтальная усадка загрузки и конечный вид коксового
пирога
Горизонтальная усадка, а точнее отход боковых поверхностей
коксового пирога от стен и образование раздела между двумя его поло-
половинами в осевой плоскости, происходит после превращения сомкнув-
сомкнувшихся пластических слоев в полукокс и до завершения коксования [129].
Во времени она совпадает с 3-й стадией вертикальной усадки. Исходя из
[53], следует, что оба вида усадки имеют одну природу, поэтому,
учитывая характер сжатия полукокса-кокса, можно допустить, что отно-
относительная величина усадки в вертикальном и горизонтальном направ-
направлениях одинакова и для горизонтальной усадки можно использовать
уравнение D.24), отнесенное к полуширине печной камеры.
Таким образом, зная закономерности изменения относительной
усадки на разных стадиях коксования и распределения угольной загрузки
по плотности в печной камере, можно описать картину конечного вида
коксового пирога. Для этого взяты результаты исследования плотности
загрузки в полномасштабной модели печной камеры [126].
Полную вертикальную усадку рассчитали из уравнения D.18),
подставив в него, вместо уровня измельчения угольной шихты (*,), ее
насыпную плотность (р) из уравнения E.19), приняв выход летучих
веществ (*,) равным, например, 25% и влажность (*:) 8%. Тогда
118
4. Основные яваекан промышленной)
N
р>
со
со
со
со
О)
2 G
II
5 -
5 ;1
Si
s 3
It
II
= 3
1!
T
4.3. УсаЛт.mwmi югрулкч * процессе тявкания и фу/итрушним кчксачгкУ! тдхку
119
У„ =1439-1481р D.26)
Разделение коксового пирога на две половины происходит в
период, когда завершается затвердевание вспучившейся массы пласти-
пластического слоя в вертикальной осевой плоскости загрузки. После этого
усадка каждой половины идет раздельно к своим центрам. Поэтому, если
в уравнение D.24) подставим вместо Xt соответствующую ему плотность,
примем для расчета те же значения выхода летучих веществ и высоты
камеры и умножим полученное на половину ширины камеры, то получим
горизонтальную усадку (У;) половины коксового пирога
У,. = 24,33-24,757р D.27)
Величина отхода боковой поверхности коксового пирога от стены
(У,;) будет примерно в два раза меньше.
УЙ = 12,16-12,37р D28)
Если учесть толщину рыхлой губчатой массы кокса, образовав-
образовавшейся после затвердевания пластического слоя, и разницу в температурах
по ширине коксуемого массива, то ширина зазора в осевой плоскости
(V,,,,) между половинами коксового пирога будет равна не менее чем двум
зазорам между стеной и боковой поверхностью, т.е.
-2,5 Ул>Ут>У,,
При равных условиях коксования по длине и высоте камер усадка
коксового пирога зависит от исходной плотности загрузки, а конечная
конфигурация перед выдачей должна соответствовать характеру исход-
исходного распределения плотности насыпной массы угольной шихты в
печной камере: чем выше плотность, тем больше будет соответствующий
ей рбъем участка коксового пирога, т.е. меньше вертикальная и боковая
усадка, и, наоборот, чем ниже исходная плотность, тем больше усадка
[138].
На рис. 4.5 показано распределение шихты по плотности средней
по высоте (ряд I), а также усредненные для трех уровней (ряды 2,3,4) по
высоте. Снизу каждому значению плотности соответствует усадка: в
^ первом ряду полная вертикальная (Уи), на всех остальных уровнях отход
боковой поверхности коксового пирога от стен (У„).
Верхний уровень коксового пирога имеет существенные различия
по высоте под люками, между люками и у дверей. Если в печах старых
конструкций эти различия не были заметными, то в печах с высотой
камер 6-7 м они достигли 100-150 мм, и их необходимо учитывать при
120
4. (кшмшые я&ття про.иыниешш,-о процесхд
4.3. Усадка у.чмынт загрулкн ч процессе мтсоааиия и ^мухипрпвакие коксчв/ьч) пироги
121
V
\
V
V
V
V
V
V
V
\
\
\
\
\
\
\
^\
-•-¦
1 \
\
\
\
\
..
—1
г
о
С
\\\у\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\
уччч чч'1'i ч ч 'I 'I'Mi ч 'IЦЦч ч 'i
I
Д
Ь^ i "'Mill'l'l'l
\щ,\ lililililll'1'1'1'11
\\\у\\\\
\\\\\\\\X\\\\V4\\\>\\\\\\\\\\\\\ I
<*)J <m[ •r-j Q3|
9. a- 8 S
г s о si
расчете уровня перевала продуктов сгорания отопительного газа.
Имеются различия и в отходе боковой поверхности коксового пирога от
стен даже по усредненным данным (от 2,9 до 4,2 мм). Между зонами
самой большой и самой низкой плотности загрузки в коксовой камере
различия будут еще больше (от 1,2 до 6,4 мм).
Величина теоретически рассчитанных данных согласуется с
полученными путем непосредственного измерения горизонтальной
усадки [139]. Поданным [140], величина бокового зазора водной и той же
печной камере колеблется от I до 12 мм. Причем в тех случаях, когда в
большинстве точек зазоры между коксовым пирогом и стенами камер
<|,5 мм и почти отсутствуют зазоры > 4-5 мм, отмечается повышенное
усилие при выдаче кокса.
На рис. 4.6 на основе выполненного анализа приведено схемати-
схематическое изображение формы коксового пирога в конце коксования: в
нижней части подлюками зазор наименьший. На более высоких уровнях
усадка несколько увеличивается, а в самой верхней части снова умень-
уменьшается, так как здесь шихта уплотняется плянирной штангой. Между
люками в нижней части камеры коксовый пирог имеет максимальный
отход от стены. По направлению вверх зазор незначительно уменьшается.
Вследствие меньшей плотности загрузки между люками, более быстрого
соединения ппастических слоев и большей величины горизонтальной
усадки, стены печной камеры в этих зонах имеют в конце коксования
повышенную температуру и сильнее заграфичиваются.
Аналогично описывается изменение ширины зазора между двумя
половинами коксового пирога по оси печной камеры.
Таким образом, на основе выполненного анализа имеется возмож-
возможность: определять уровень перевала продуктов сгорания отопительного
газа коксовых батарей; прогнозировать величину горизонтальной усадки
коксового пирога по результатам измерения вертикальной усадки загруз-
загрузки различной исходной плотности; в комплексе с другими показателями
ориентировочно оценивать условия пиролиза парогазовых продуктов,
уровень заграфичивания кладки печных камер и возможные затруднения
в эксплуатации коксовых печей.
4.3.4. Особенности формирования коксового пирога в его осевой
плоскости
Вопрос о причинах разделения коксового пирога на две половины
по осевой плоскости практически не изучен. Исследования [141] пока-
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 кок-
коксового пирога связано с завершением процессов пиролиза в сомкнув-
.122
п;иые Ш'нчтя при,
шемся 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 пласти-
пластическими слоями, суммарная плотность со временем снижается. Вспучи-
Вспучивающаяся пластическая масса уплотняет прилегающие слои шихты,
поэтому ее плотность убывает еще быстрее. Особенно низких значений
она может достигнуть в зоне их смыкания.
Однако плотность сомкнувшегося пластического слоя может
убывать лишь до величины, зависящей от свободного вспучивания
шихты, пластифицированной парами смолы. После этого должен
произойти "разрыв сплошности" - массивы полу кокса-кокса возможное
прилегающими неотвердевшими пластическими слоями отрываются
друг от друга.
В плоскости смыкания пластических слоев после прококсовы-
вания образуется рыхлая непрочная масса, слабо связанная с основными
массивами, которая легко разрывается под действием сил усадки.
Для подтверждения выдвинутой гипотезы проведены исследо-
исследования, позволяющие визуально наблюдать процесс формирования струк-
структуры коксового пирога в его средней части. Были проведены лабора-
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, герметизи-
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 темпера-
температуры, все более четко разделяя коксовый пирог на две части.
123
улнчпшмпческчеускхшя в каксуелнш jarpytue, <\нцу\1щкнилим! и iwptmtj ттшкчв и/мюуктш коксиваиня
5. Газодинамические условия в коксуемой
загрузке, формирование и пиролиз потоков
парогазовых продуктов коксования
Объектом исследования выбраны коксовые батареи Губахинского
коксохимзавода, где в наибольшей мере проявляется влияние пиролиза
парогазовых продуктов на условия эксплуатации печей: при коксовании
шихты с преобладающим участием кизеловских углей происходит
интенсивное заграфичивание стен камер, особенно между люками.
Средняя скорость отложения "графита" составляет 1-2 мм за оборот. В
промышленной практике России такое явление является уникальным.
р 1000 Н
!
I
I
500 Ч
9 11 13 15
Время коксования, час
ис. 5.1 Давление газов на уровне 1.9 м от пода: I -у стены: 2-е загрузке: 3 - на уровне
'он а заручке: 4 - а подсчодовоы пространстве.
124
5. Гамнпшамнч
я в KfUicveMfiii s
Возникло предположение, что при коксовании кизеловских углей
технологических групп Ж13 и Г6, содержащих до 25% спорового
материала, имеющих повышенный выход летучих веществ (—40% на
горючую массу), на процесс графитообразования влияет распределение
газовых потоков в загрузке и низкая термическая устойчивость паро-
парогазовых продуктов.
Угольная шихта Губахинского завода отличается низким уровнем
измельчения (около 45-50% класса < 3 мм), имеет влажность- 10%.
Коксование проводили в печах системы ПК с полезным объемом камер
16,9 mj. Загрузка осуществлялась через 4 загрузочных люка. При загрузке
шихты крупного измельчения распределение по плотности отличается
большой неравномерностью: под загрузочными люками плотность
может быть на 20% больше, чем в объемах между люками [I 19-121,126].
200
i
I
150
р
I,
I
с
I
к 100
500
h 50
|_
1
1
9 11 13 15
Время коксования, час
Рис. 5.2 Влияние периода коксования на давление газов. Уровень от пода 0.6 м. период
коксования: I - 14.24: 2 - IS.04: 3 - 16.04.
шическне уулпаня а кпксуулм//! jarpy-JKi', ([юрлтрминте ч тцюмп потакав пршуктов кпкамания
125
Были выполнены замеры давления внутри загрузки в осевой
плоскости и у стен камер в течение всего периода коксования на уровнях
0,6 и 1,9 м от пода как под люками, так и между ними, а также в
подсводовом пространстве [142,143]. В этих же точках измеряли
температуры в загрузке, начиная с 8-го часа периода коксования.
Измерения производили через третий загрузочный люк, а также через
специально для этого исследования выполненный люк, расположенный
между вторым и третьим загрузочными люками.
Характер кривых изменения давления на обоих уровнях и в обеих
плоскостях практически одинаков (рис.5.1). Примерно через 0,5-1 ч после
загрузки камеры шихтой давление составляет 590-880 Па, иногда
достигая 1275-1375 Па. В течение 2-го часа резко, а затем с некоторым
замедлением снижается, достигая к 4-му ч 100-170 Па. Начиная с 9-10 ч,
давление вновь повышается и к 11-12 ч периода коксования достигает
максимального значения. Далее в течение 1,5-2 ч происходит снижение
до уровня, поддерживаемого в подсводовом пространстве. Величина
давления в загрузке с повышением уровня от пода снижается, что
свидетельствует о направленности потоков газа вверх и уменьшении
сопротивления его движению.
Описанный характер изменения давления газов в процессе
коксования соответствует изменению его выхода [144]. Соотношение
давлений на разных уровнях сохраняется практически до второго
максимума, соответствующего слиянию пластических слоев.
С удлинением периода коксования процесс газовыделения во
времени растягивается, что находит отражение в снижении абсолютной
величины максимального давления и увеличении времени от начала
роста до второго максимума и спада (рис.5.2).
Максимальное давление при слиянии пластических слоев в
загрузке между люками оказывается выше и наступает раньше, чем под
люками, что может быть связано с более высокой скоростью подъема
температуры вследствие меньшей плотности шихты (рис.5.3). Для
оценки полученных результатов следует установить их связь с пред-
представлениями о процессе коксования.
Особенностью слоевого процесса является непрерывное измене-
изменение каждого слоя по мере распространения тепла внутрь загрузки.
Наибольшее сопротивление тепловому потоку оказывает пластический
слой. В зависимости от свойств углей, скорости их нагрева в интервале
300-5ОО°С выделяется основная часть (до 60%) общего количества
летучих веществ. Изменение условий нагревания (например, повышение
скорости) в первую очередь проявляется в изменении скорости повыше-
повышения температуры в пластическом слое. Последнее определяет скорость
Деструкции угольного вещества, количество парогазовых продуктов в
единицу времени.
126..
/ шадшшлтческче
yc:uMtm к ыоксуемпЬ м-руяи, фациираштие и пирит штшкпв прмукрню к
/Ъ-хпмншлшческнеус-нмия в коксуемой мгруже. ^юрмирошнше и nupamj потпаю щмюукпню мюстанпя
127
Коксование пристенных слоев загрузки до 80-100 мм от сте
происходит с высокими скоростями, а пластический слой текуч и
тически непроницаем, поэтому газы, выделяющиеся на "горячук^
сторону, вынуждены двигаться между пластическим слоем и стеной. Hoi
начальный период пристенный слой полукокса-кокса плотно прилегает к
стене и создает сопротивление движению газа, вследствие чего давление
возрастает.
По мере прококсовывания загрузки в каждом слое происходи,
осевая усадка и возникновение лучевых трещин с образованием "цветной
капусты", то есть растет объем пространства между стеной и пласти-L
ческим слоем загрузки, несмотря на то, что боковая поверхность коксо-1
вого пирога остается прижатой к стене давлением распирания; сопротив-1
ление вдоль стен постепенно снижается. Парогазовые продукты более|
2 200
з
«
150
О
С1000
8-
I
500
- 100
- 50
_L
_L
J
* 3 5 7 9 11 13 15
Время коксования, час
Рис. 5.3 Да&'/ение газов и температура в загрузке на уровне 0.6 м от пода. Давление: I «
межлюковом объеме: 2 - под люком. Температура: 3-е межлюковом объеме: 4 - под
четко разделяются на два потока, разграниченные между собой пласти-
пластическим слоем. Продвижение пластических слоев на расстоянии 80-100 мм
от стен (в камерах шириной 407-410 мм) происходит с наименьшими
скоростями. Поэтому давление в коксуемой загрузке на данном этапе
достигает минимальных значений.
В слоях загрузки на расстоянии 160-200 мм от стен скорость
повышения температуры вновь увеличивается. Этот период соответ-
соответствует смыканию пластических слоев.
Интересен и, на первый взгляд, трудно объясним факт практически
одинакового изменения давления внутри загрузки и у стен камер и
незначительного перепада между ними в течение всего коксования [143].
При отмеченных уровнях давления в загрузке проникновение газа
через пластический слой исключается. Исследованиями (см. раздел 2.2)
установлено, что сопротивление пластического слоя шихты Губахин-
ского завода составляет 2,9 кПа. Выравнивание давления, вероятнее
всего, происходит из-за высокого сопротивления внутреннего слоя
загрузки. Давление начинает возрастать с "холодной" стороны слоя и
образующиеся внутри слоя пузырьки газа легче выходят на "горячую"
сторону. Преимущественное направление газового потока из пластичес-
пластического слоя к стенам можно объяснить, таким образом, не только его
большей текучестью с горячей стороны, но и высоким сопротивлением
внутренней части загрузки.
После слияния пластических слоев все летучие продукты могут
выделяться только в сторону стен камер. Вероятность их движения вверх
по объему слоя исключается вследствие высокого сопротивления. И
только в самой верхней части загрузки в течение всего процесса
коксования парогазовые продукты выходят непосредственно в подсводо-
вое пространство, разрыхляя весь верхний слой и образуя так
называемую "губку". О характере движения парогазовых продуктов в
камере свидетельствуют также следующие результаты исследования.
В газе, отобранном на 8 ч коксования на уровне 0,6 м от пода из
пристенной части, при давлении 170-200 Па, содержание водорода
составило 50,6%, метана 27,7%. На 12 ч, когда пластические слои
сомкнулись, а давление увеличилось до 1470 Па, содержание водорода
снизилось до 41,1%, а метана увеличилось до 38,2%. Это изменение
произошло несмотря на то, что за 4 ч после первого отбора газа слой
полукокса-кокса увеличился, создались условия для более жесткого
пиролиза парогазовых продуктов. Следовательно, причиной является
уменьшение времени их контакта в зоне пиролиза: возросли объем и
скорость прохождения газов через слой полукокса-кокса.
В межлюковом объеме прококсовывание загрузки завершается
примерно на 1 ч раньше (см.рис. 5.3). Газы, выделяющиеся из сомкнув-
сомкнувшихся пластических слоев загрузки под люками, движутся не только к
128
5. ГаипЫшамуческие усхолия я коксуемой загруна
стенам, по также в осевых направлениях к межлюковым объемам. Об
этом свидетельствует разница в давлениях на спаде кривых после второго
максимума до конца коксования под люком на уровне 1,9 м от пода.
Следовательно, по межлюковому объему около стен проходит часть газов
из загрузки, расположенной под люками. Если учесть, что исходная
плотность между люками меньше, а отход боковых поверхностей коксо-
коксового пирога от стен больше, то становится очевидной возможность
большего пиролиза парогазовых продуктов с отложением пироуглерода
('"графита") на стенах камер в этой зоне.
Парогазовые продукты коксования кизеловских углей обладают
исключительно низкой термоустойчивостью и уже при температуре
760°С и более пиролизуются с образованием ггироуглерода. При более
высоких температурах его количество значительно превышает образую-
образующееся в результате пиролиза парогазовых продуктов из кузнецких углей
(см. раздел 5.2.1).
Рассмотренная схема распределения и движения парогазовых
продуктов при коксовании шихты с преобладающим участием кизелов-
кизеловских углей позволяет объяснить причины локального заграфичивания
стен. Вероятнее всего, такой же характер движения газовых потоков и
при коксовании других, например, кузнецких углей, но вследствие более
высокой термической устойчивости парогазовых продуктов он менее
ярко выражен. Это определяет более равномерное и умеренное заграфи-
чивание кладки стен камер, отличие в выходе и качестве химических
продуктов коксования.
А
5.1. Давление коксования и нагрузки на стены печных J
камер :1
Несмотря на многочисленные исследования, проведенные как в
нашей стране, так и за рубежом, по-прежнему одним из наименее изучен-
изученных вопросов в теории и практике коксового производства остается
влияние статических и динамических нагрузок, названных "'давлением
распирания", на кладку коксовых батарей и их основного элемента - стен
печных камер с разными габаритными размерами, под воздействием
процессов загрузки и коксования угольных шихт различного состава и
качества. Эти данные крайне необходимы для расчета конструкций
отопительных простенков.
Имеющиеся в литературе данные но давлению распирания крайне
противоречивы как по характеру его изменения в процессе коксования,
так и, особенно, по величине: от единиц до сотен и тысяч кПа [145,146].
Связано это как со свойствами углей, так и принятой методикой
измерения. Приведем здесь в развитии наиболее теоретически и
.5. /. Даялеине кокстапия и щьуцле* tig стены печных камер
129
практически обоснованный механизм возникновения и развития дав-
давления распирания, а точнее "давления коксования".
Полупромышленные испытания
Имеющиеся сведения о давлении распирания получены в полу-
полупромышленных условиях на печах с шириной камер 300-700 мм и
разовой загрузкой угольной шихты 200-500 кг. Эти печи имеют одну под?
вижную стенку, на которую передается возникающее в процессе коксо-
коксования давление, измеряемое при помощи динамометров 119,147,148].
В |19] приводятся результаты полузаводских испытаний, из
которых следует, что давление распирания зависит от генетических
свойств углей, способов их подготовки, влажности, уровня измельчения и
других технологических факторов. Для большинства углей все эти
факторы сводятся к плотности насыпной массы загрузки. В наиболее
общем виде давление распирания описывается зависимостью его от
плотности в виде параболической кривой [19].
На опытном заводе ВУХИН построена электрическая печь с
подвижной стенкой (ширина камеры 400 мм) [149]. Печь отличается от
описанной'в работе [147] тем, что угольную загрузку нагревают через
стенку из огнеупорного материала (шамота). Это создает лучшие условия
моделирования промышленного коксования.
Давление распирания коксуемой загрузки передается на подвиж-
подвижную стенку, которая, перемещаясь, давит мембраной месдозы на шток,
жестко укрепленный на каркасе печи. Возникающее в месдозе давление
регистрируется манометром. Кроме того, на установке можно измерять
температуру и внутреннее давление газов в осевой плоскости загрузки.
Проведены опыты для сопоставления давления распирания подго-
подготовленной обычным способом по схеме ДШ и частично брикетированной
шихты НТМК средней снекаемости из кузнецких углей: А'1 9,4%;
V а = 2S%; Y - 16 мм. Шихту отощали или ожирняли добавкой 15%
концентратов ОФ "Беловская" (марка Ж: Ad =- 11,4%; Vdal - 34,7%;
V =27 мм) и '"Киселевская" (технологическая группа К2: Ad= 8%;
V а' - 18,7%; Y - 8 мм). Брикеты были изготовлены из тех же шихт с
уровнем измельчения 80% класса < 3 мм. Связующее мягкий пек с
температурой размягчения 35°С но К и Ш (смесь каменноугольной смолы
со среднетемпературным пеком в соотношении 1:1). Содержание
связующего в брикетируемой смеси 8%, брикетов 45%.
Разовая загрузка шихт без брикетов составляла 140 кг, с брикетами
160 кг при одинаковом объеме в реторте. Температура сген печи со
стороны нагревательных элементов 1080°С
При таких же условиях коксования проведены опыты для
сопоставления давления распирания шихты ЗСМК, подготовленной
130
5. ГиякШиаинческнеycmmiu a Ktincye.unti j
d. </Ki/}.\itiiHjetiiilie n n
обычным способом и предварительно нагретой до 150°С. Состаа.
шихты,%: Г6-11; П7+Ж-30; К+К2-59. Зольность 8,7%, выход летучих|
веществ К'"/= 25,9%, толщина пластического слоя К=14 мм.
Типичные кривые изменения давления распирания и температуры
в центре загрузки в течение коксования представлены на рис.5.4. Видно,
что общий характер давления при частичном брикетировании и
термической обработке шихты не изменился: отмечаются два максимума.
Время их появления от начала коксования и величина приведены в
табл.5.1. Первый максимум объясняется тем, что при движении пласти-
пластического слоя от стен к осевой плоскости камеры его толщина и степень
вспучивания нарастают вследствие снижения газопроницаемости. Одна-
Однако допустимая деформация пластического слоя увеличивается, поскольку
возрастает усадка слоя полукокса-кокса. Вследствие этого давление,
развиваемое пластическим слоем, проходит через максимум, а затем
постепенно, но не более чем наполовину от максимального, снижается до
момента слияния пластических слоев. Второй максимум связан со
смыканием пластических слоев при соответствующих им температурах.
Введение в шихту как жирного, так и отощенного угля приводит к
повышению максимального давления распирания: в первом случае, -
вследствие увеличения степени вспучивания пластического слоя, во
втором - вследствие снижения трещиноватости и газопроницаемости
слоя полукокса-кокса, прилегающего к пластической массе. Введение в
шихту брикетов приводит к росту давления распирания на 6-40%.
Марка, тех-
технологическая
группа
Шихта НТМК
Шихта НТМК +
15% Ж
Шихта НТМК +
15% К2
Шихта ЗСМК
S. I. Jiaaienue кгжситнии и иагру!ки на
Содержа-
Содержание бри-
брикетов, %
0
45
0
45
0
45
влажная
нагретая до
15()°С
антшясчиых ка.\к-р
Максимум 1
1,9
1,9
1,9
3,1
3,4
1,8
3,0
3.7
Р, кПа
1,7
1,8
2.2
3,1
2,1
2,4
1.8
3,6
131
Таблица 5.1
Максимум 2
U ч
10,0
11.0
10,1
10,5
6,8
12,7
12,2
11,0
Р, кПа
1,2
1.1
. 1,3
2,8
2,4
2,9
1,2
1,8
Рис. 5.4 Давление распирания A-3) и температуры по оси la. 'ручки D-6). Соответствен
влажная, частично брикетированная и термоподготоваенная шихты.
При термической обработке шихты давление распирания возрас-
возрастает в два раза в сравнении с влажной шихтой, причем наибольшая его
величина приходится на первый пик.
Таким образом, в полупромышленных печах во всех случаях
давление распирания оказывается в 2-4 раза меньше максимально допус-
допустимого G кПа).
Однако процесс коксования в полупромышленных печах сущест-
существенно отличается от промышленного, так как из габаритных размеров
только ширина камеры соответствует промышленной, при значительном
отличии высоты и длины, отсутствует регулирование давления газа в
печной камере в процессе коксования. То есть динамические нагрузки на
стены и под печной камеры при загрузке угольной шихты, а также ее
газодинамическое состояние в процессе коксования не воспроизводят
промышленных условий. Поэтому результаты полузаводских исследо-
исследований можно рассматривать лишь как качественные, позволяющие
давать сравнительную оценку влияния ограниченного числа факторов на
давление распирания, в частности состава и свойств угольной шихты,
способов ее подготовки, ширины печной камеры, скорости коксования, и
эти данные не могут быть использованы для расчета прочности
отопительных простенков и других элементов коксовых батарей.
Промышленные испытания
Имеющиеся сведения по результатам измерения газового давления
по высоте и ширине печных камер в промышленных условиях дают
Удовлетворительную картину газодинамики в процессе коксования [19].
Однако эти данные также не могут быть использованы в
конструкторских расчетах, так как между давлением распирания и газо-
газовым давлением в различных частях коксовой камеры явно существуют
132
5. I 'iiMKliiiia.uii4ecKttcyc:ifitimi и коксуемой шгрузке, <lKip.uiijHMiantte n mt/XKVrj штшков ирпдукяим кпкататт I
5.1. Дате/те кпкстштш н
разные соотношения, зависящие, главным образом, от качества угольно!
шихты и плотности загрузки. И, если после завершения загрузки и
процессе коксования все-таки есть данные о давлении газа, по которым!
можно приближенно судить о воздействии на кладку, то о динамических!
условиях самого процесса загрузки печной камеры и, тем более,
возникающих при этом нагрузках на стены, вообще нет никаких сведений
[150,151].
Известно, что после загрузки влажной шихты, ее насыпная
плотность в нижних горизонтах под загрузочными люками составляет
800-840 кг/м' (испытание на холодной полномасштабной модели с
высотой камеры 4,3 м), тогда как в пространствах между люками на
100-140 кг/м' меньше, а при загрузке подсушенной до .1-4 % угольной
шихты плотность у пода подлюками достигает 900 кг/м' [126]. То есть в
процессе самой загрузки поток шихты, падая с большой высоты,
ударяется о стены и под камеры, уплотняет нижележащие слои. Следова-
Следовательно, и газодинамическая и статическая нагрузки у пода под
загрузочными люками теоретически должны быть более высокими,
особенно при загрузке термоподготовленной шихты, имеющей высокую
текучесть [117,143].
Теоретический анализ, а также результаты газодинамических
исследований, полученных в промышленных условиях, показали необхо-
необходимость создания метода прямого измерения нагрузок на кладку стен
печных камер от начала загрузки шихты и до конца коксования, или, по
крайней мере, до образования полукокса в'осевой плоскости коксуемого
массива после смыкания пластических слоев и начала усадки коксового
пирога, когда механическое воздействие на кладку со стороны коксуемой
массы прекращается и продолжается лишь давление газов, которое в этот
период уже не представляет опасности для кладки.
Разработано и в промышленных условиях испытано специальное
устройство, позволяющее производить измерение давления на стены в
процессе коксования [152]. Конструкция прибора представлена на
рис.5.5.
Устройство состоит из корпуса I в стенке которого имеется
прямоугольное отверстие. Датчик устройства включает: мембрану 2,
закрепленную на корпусе 1 накладной пластиной 3 и винтами 4; жесткую
пластину 5, воспринимающую измеряемое давление, шток 6 и упругую
пластину 7 с установленными на ней тензорезисторами 8 и опирающуюся
на выступы 9. Зона расположения датчика отделена от остальной части
корпуса перегородкой 10, через которую проходят трубы 11.
Устройство работает следующим образом. Корпус 1 с разме-
размещенным в нем датчиком устанавливают в коксовую камеру перед
загрузкой шихты через отверстие в двери или через загрузочные люки.
Динамические нагрузки от падающего потока шихты, газовое давление и
пп
133
ц
I ?:
?¦ i
&S
П
5" S
134
S. IамнНшалшческие условия в коксуемой jarpyux, ^мцыипммишие и mtpa.mj потоков нр(юуктт коксоаашщ
5.1. Да*
папин и aarpyjKU на стены печных камер
135
собственно давление "распирания", возникающие при коксовании, через
жесткую пластину 5, мембрану 2, шток 6, передаются на упругую
пластину 7. вызывая ее прогиб и появление сигнала на тензорезисторах 8,
пропорционального величине деформации, который регистрируется
вторичным прибором. Схема соединения тензорезисторов исключает
появление сигнала при нагреве упругой пластины 7. Предельная рабочая
температура используемых тензорезисторов не должна быть выше 600
°С. При более высоких температурах в зону размещения датчика через
одну из труб 12 подается воздух, который через другую трубу выводится
из прибора. Можно использовать тензорезисторы с более высокой рабо-
рабочей температурой, например до 900 °С. После затвердевания сомкнув-
сомкнувшихся в осевой плоскости пластических слоев E00-550 °С) и с началом
отхода коксового пирога от стен печной камеры давление на стены легко
измеряется с помощью трубок и манометра, поэтому продолжать
использовать устройство для дальнейших измерений нецелесообразно.
Перед работой производится тарирование устройства
определяется зависимость величины выходного сигнала от прилагаемого
давления.
Испытание устройства и исследование с его помощью давления на
стены в период загрузки и начала процесса коксования выполнены на
коксовых батареях А с полезным объемом камер 30 mj D50x5000x 15040
мм) и Б с объемом 41,6 mj D10x6700x15160 мм) Западно-сибирского
меткомбината при загрузке влажной и термически обработанной
угольной шихты следующего состава,%: К-31,6; К2-28,2; Ж-24,2;
П 7-15,9. Зольность 7,6%; выход летучих веществ Vе1 = 25,2%; К=15 мм;
уровень измельчения 78% содержания класса < 3 мм. Период коксования
влажной шихты на коксовой батарее А составил 17 ч, термически
подготовленной — 14,5 ч; на батарее Б - 15 ч.
Устройство вводили через отверстие в двери с машинной стороны
и располагали его по оси печной камеры на уровне 0,6 м от пода против
третьего отопительного канала, рабочей поверхностью параллельно
стене.
Максимальная нагрузка на стены печной камеры в значительной
степени определяется динамическим ударом потока загружаемой шихты
при активном выделении из нее парогазовых продуктов. Величина
максимальной нагрузки на стены печной камеры коксовой батареи А для
влажной шихты составила 12 кПа. Для термически подготовленной
шихты, загружаемой специальной углечагрузочной машиной через два
крайних люка, величина нагрузки существенно зависит от скорости
опорожнения бункеров и при изменении от 150 до 500 кг/с давление на
кладку возрастает от 14 до 20 кПа (рис.5.6). Измерения производили в
течение нескольких минут, дальнейшее развитие давления не измеряли.
Сразу после завершения загрузки давление на кладку стены несколько
снизилось.
Причина увеличения давления при загрузке термически
подготовленной шихты в сравнении с влажной - значительное
повышение ее текучести, плотности и скорости газовыделения. После
Р. кПа
а
ю
12
2 4 6 о ш ,, гмцн
' "<' 5.6 Давление на стены печных камер коксовых батарей №1(а) и №7F) ЗСМК:
сполшная и пунктирная линии - соответственно термически подготовленная и влажная
1"ихты: 1-3 - скорость югручки шихты соответственно ISO. 350 и 550 кг'с.
136
i. Гаюлииачические условия « коксуемой юррузке, формн(юваппе
и пи/юши ппамкпв щюауктав какспиапш
5.!. Даанвтч коксований и нагрузки ни стены печных камер
137
реализации "'ударных" нагрузок давление, оказываемое на стены печи,
несколько раз превышает давление раепирания, определенное п
традиционной методике в иолузаводской печи с подвижной стенкой.
На коксовой батарее Б загрузку влажной шихты производили трех*
бункерной углезагрузочной машиной обычным способом, а нагретой
специальной однобункерной машиной через центральный люк.
Установлено, что увеличение высоты печной камеры с 5 до 7 м с
одновременным уменьшением ширины от 450 до 410 мм приводит к су-
существенному возрастанию нагрузок на стены печной камеры. Так, для
влажной шихты максимальное давление составило 18 кПа, а для
термически подготовленной - при оптимальной скорости ее загрузки
250 кг/с 23 кПа.
Возрастание нагрузок на стены камер коксовой батареи Б
происходит вследствие увеличения динамического воздействия потока
шихты при его падении с большой высоты и повышения гидравлического
сопротивления слоя загрузки с увеличением столба шихты.
Приведенные данные о нагрузках на стены коксовых печей,
относящиеся к начальному периоду коксования, включающему загрузку
камеры шихтой, подучены впервые и, безусловно, должны быть учтены в
расчетах коксовых батарей, так как представляются достаточно боль-
большими и не менее опасными, чем давление распирания, проявляющееся
при смыкании пластических слоев в осевой плоскости коксуемой
угольной массы.
Работа с измерением давления распирания в течение более
длительного периода была продолжена на коксовой батарее В с полезным
объемом печных камер 41,3 mj D10 х 6700 х 15,03 м ) Нижнетагильского
мегкомбината по описанной выше методике, но с повышенной чувстви-
чувствительностью прибора.
Измерения производили при загрузке и коксовании в одной печной
камере угольной шихты следующего состава, %: ДГ+Г-1,7; ГЖ-33.1;
Ж 26,7; К+КО+ОС-25.4; КСН+КС-12,1; ТС+СС-1,0. Влажность
W=7,9%; зольность А''-7,6%; выход летучих веществ У*^=26Л%;
Y= 15,0-16,0 мм; уровень измельчения 78 % содержания класса 3-0 мм.
Период коксования составлял 18 часов.
Типичная зависимость давления на стены печной камеры, начиная
с момента начала загрузки и в течение коксования до допустимых
температур датчика прибора, представлена на рис. 5.7.
13 течение первых минут после начала загрузки отмечается три
пика давления, отражающие последовательное опорожнение бункеров
углезагрузочного вагона по схеме: "с машинной стороны - с коксовой
стороны — средний "на планирование". Величина давления первого пика
составляет около 5 кПа, а второго около 7 кПа. Третий пик по величине
примерно соответствует первому, однако несколько растянут во времени
и явно связан с выпуском шихты из среднего бункера и ее
"планированием". Далее, после незначительного спада давления, соот-
соответствующего окончанию загрузки и пока что несформировавшимея
пластическими слоями, начинается резкое повышение давления, сопро-
сопровождающееся толчками: даже на усредненной кривой наблюдаются
участки выравнивания с последующими резкими подъемами ("лесенка"),
вплоть до достижения в течение 40-45 минут от начала коксования 18 кПа
и к 1,5-2 часам максимального значения на уровне 21 кПа. После этого к
3-му часу давление снижается до 13-14 кПа и на этом уровне держится до
окончания опыта.
Резкие толчки давления на 1-м часу коксования объясняются
прорывами неполностью сформировавшихся, тонких пластических слоев
у стен печной камеры. По мере увеличения их толщины прорывы газа все
более затрудняются, давление газа внутри пузырьков пластического слоя
нарастает, вследствие чего масса пластического слоя разбухает и давит на
образующиеся слои полукокса-кокса. Последние, соответственно, пере-
передают давление на стены и датчик измерительного устройства. Рис.5.7
Одновременно с давлением, регистрируемым прибором, на рис.
5.7 представлена динамика изменения газового давления. Зафиксировано
два пика, совпадающих по времени с загрузкой печной камеры угольной
шихтой. Только в начальный момент (первые 3 минуты) газовое давление
составляет примерно половину суммарного давления коксования, регис-
регистрируемого прибором. В дальнейшем доля газового давления сущест-
существенно снижается и не превышает 5%.
После 4-х часов от начала коксования замеры не производились,
так как температура датчика к этому времени достигла предельно допус-
допустимой для безопасной работы устройства. Прибор извлекали из камеры с
целью его сохранения для последующих замеров.
Из представленных экспериментальных данных, полученных в
условиях коксовой батареи В следует, что принимаемое в конструк-
конструкторских расчетах давление коксования на стены камер на уровне 7-10 кПа
для батарей подобного типа является заниженным. Для обеспечения
достаточной прочности простенков коксовых батарей с высотой камер 7
метров и шириной 410 мм при коксовании угольных шихт, типа приме-
применяемой на НТМК, необходимо принимать уровень давления по крайней
мерс с 1,5-кратным запасом от экспериментально установленного, то есть
около 25-30 кПа. Этот важный вывод следует принять еще и потому, что,
во-первых, давление на стены камер замерялось не в самом опасном
месте - против третьего отопительного канала; можно с уверенностью
утверждать, что при установке прибора в местах наибольшей насыпной
плотности угольной шихты -у пода под загрузочными люками, давление
возрастет, по крайней мере пропорционально увеличению ее плотности;
во-вторых, период коксования во время опытов был существенно
138
S. Гаюаталтчесак томя « тицюи» мзддя. фармираююк и трпт потоков щюауктт к
II
5.I. j(g»:ictnie южмтапня и нагрузки на степы печных камер
139
увеличен против проектного и, следовательно, процесс газовыделения
был растянут во времени, что, безусловно, привело к снижению давления
распирания.
5.2. Движение и пиролиз парогазовых продуктов в
коксуемой загрузке и печной камере
В процессе коксования непрерывно меняется состояние загрузки и
газодинамические условия в печной камере. Вследствие потери массы
происходит вертикальная и осевая усадки, изменяются давление и
скорость газов у стен, между пластическими слоями и в подсводовом
пространстве [153]. Все это, несомненно, оказывает влияние на
формирование и направление газовых потоков, их пиролиз и, следо-
следовательно, на выход и качество кокса и химических продуктов коксования.
Вместе с тем, имеется связь между давлением газов внутри
загрузки и давлением распирания [19], что важно при изучении особен-
особенностей процесса в случаях значительного изменения состава, технологии
подготовки угольных шихт, условий коксования.
5.2.1. Термическая устойчивость парогазовой фазы и ее влияние на
условия эксплуатации печей и качество продуктов коксования
Степень превращения газа или смолы в другие продукты может
служить показателем их термоустойчивости, сведения о которой необхо-
необходимы для правильного установления режима коксования, обеспечиваю-
обеспечивающего оптимальные выходы химических продуктов, скорость образования
"графитовых" отложений на стенах и своде печных камер. Такие исследо-
исследования актуальны в связи с изменениями в технологии подготовки
угольных шихт и скорости коксования.
Первичные парогазовые продукты можно условно разделить на
три части: газ полукоксования, пары воды и пары жидких углеводородов,
которые при охлаждении образуют первичную смолу. Пары воды могут
оказывать влияние на ход пиролиза, но сами в химических превращениях
углеводородов вряд ли участвуют. Газы полукоксования содержат
компоненты, которые легко подвергаются пиролизу: тяжелые углеводо-
углеводороды и метан. Однако их количество в парогазовой фазе по массе, в
сравнении со смолой, в 50-70 раз меньше, а степень превращения в
твердые и жидкие продукты ничтожно мала. Главным компонентом,
определяющим ход и результаты пиролиза парогазовой фазы, является
первичная смола. Газ является активной средой, в которой протекают
вторичные процессы пиролиза. Поэтому целесообразно изучить отдельно
140
5. I алхНшамнческш' ус.июия в кгжсуелкш jar ручке, формирование и пирыаа
x2- Лвпжение и ццрпщ.1 уарчгаюиых п
югругке и печшт ка
меру.
141
термическую устойчивость первичной смолы и всей парогазовой фазь
полукоксования.
5.2.1.1. Состав и термическая устойчивость первичной смолы
В качестве объекта взяты смолы полукоксования углей Кузбасса
разной степени метаморфизма и концентрат кизеловских углей. Углиш
отличались по петрографическому, элементному составам и спекаемости!
(табл.5.2). Видно, что выход первичной смолы согласуется с выходом|
летучих веществ и содержанием водорода в органической массе углей.
Показатели
Технический
анализ,%:
W
А"
Sd
v<t,r
Толщина пласти-
пластического слоя, мм
Петрографический
Состав,%: Vt
Sv
L
F
M
Элементный состэв,%:
С„
Н„
No
So
Oo
Выход смолы,%:
на сухой уголь
на горючую массу
Ш. Комсо-
Комсомолец, Г
1,55
8,02
0,77
39,6
13
80,5
2,5
2,0
8,5
6,5
82,56
5,92
1,62
0,85
9,05
10,1
11,0
Таблица 5.2.
Характеристика углей для полукоксования
Уголь (технологическая группа)
Ш Нагор-
Нагорная, 1Ж26
1,45
8,82
0,70
33,4
34
86,5
2,3
1,0
3,2
7,0
86,14
5,64
3,18
0,77
4,27
8.5
9.3
ГОФ Се-
Северная,
КЖ14
1,48
8,47
_
21,7
13
50,0
11,5
0,5
26,5
11,5
88,18
5,03
2,48
0,51
3,80
5,0
5,5
Кис-
Кисловский
концен-
концентрат, ГЖ
-
10,10
3,50
44,0
16
-
-
-
84,42
6,03
1,31
2,12
6,12
11,9
13,2
ГОФ Ап-
жерская ОС
1,09
6,50
0,60
15,3
6
45,0
21,0
_
28,0
6,0
91,02
4.32
2.12
0,70
1,84
1,7
1,8
Первичную смолу каждого угля разделяли на составные части
(группы, табл.5.3): вещества нерастворимые в бензоле, асфальтены
(осаждаемые петролейным эфиром), силикагелевые смолы (извлекаемые
адсорбцией силикагелем), высшие фенолы (извлекаемые щелочью),
нейтральное масло (остаток).
Таблица 5.3
Выход групп составляющих из первичной смолы, %
Уголь (технологи-
(технологическая группа)
Ш Комсомолец. Г6
Ш Нагорная, 1Ж26
ГОФСевериая.КЖИ
ГОФ Анжерская, ОС
Кизеловский
концентрат. ГЖ
Нерас-
твори-
творимые в
бензоле
1,21
1,30
0,82
1,10
1,50
Асфаль-
теиы
18,40
5,83
21,54
5,60
6,20
Силика-
Силикагелевые
смолы
14,83
13,87
11,73
16,79
12,80
Фенолы
5,67
2,62
2,42
2,08
2,00
Нейт-
Нейтральное
масло
57,20
70,40
58,31
64,53
74,70
Потери
2,69
5,98
4,18
3,90
2,80
Полученные данные слабо связаны с показателями, характери-
характеризующими органическую массу углей. Можно отметить, что выход
фенолов из смолы кузнецких углей зависит от содержания в них
кислорода (табл.5.4).
По элементному составу [154] можно предполагать, что наиболее
устойчивым к термическому воздействию является нейтральное масло,
содержащее наименьшее количество гетероатомов.
О термической устойчивости первичной смолы можно судить по
снижению ее выхода при более высоких температурах, когда продукты
полукоксования подвергаются вторичному пиролизу. Результаты
исследования (табл 5.5) дают представления о преобразовании первичной
смолы в высокотемпературную, но не показывают степени ее превра-
превращения в твердую фазу. Поэтому выполнено определение "коксового
числа"' - остатка при нагревании до 550°С отдельных составляющих и
первичной смолы углей в смеси с прокаленным пековым коксом
(табл.5.6).
Таблица 5.4
Элементный состав групп, %
Группы
Нерастворимые в бензоле
Асфальтены
Силикагелевые смолы
Фенолы
Нейтральное масло
С.
74,0-75,0
79,0-80,0
80,5-81,5
81,0-82,0
87,0-88,0
н„
5,7-5,8
6,9-7,1
7,2-7,5
8,0-8,2
11,0-12,0
(O+N+S),,
19,0-20,0
13,0-14,0
11,0-12,0
10,0-11,0
1,0-2,0
142
S. Гаюдштхунчеаак усяовиж а пжсуе.\нт jar/)yjw. ^юрняцтваннс к янрипн нтншя ы
5.2. Диижеиче и пи/мша ищюгамтых
в яжсуелит жгрузка и печной к
143
Таблица 5.5
Выход смолы при разной температуре обработки углей, %
Уголь(техиоло1'нческая
группа)
Ш, Комсомолец, Г6
Ш Нагорная, 1Ж26
ГОФ Северная, КЖ14
ГОФ Анжерская, ОС
Кизеловский
концентрат, ГЖ
Температура об
500
10,10
8,50
5,00
1,70
11,90
работки угля, °С
900
5,72
4,54
3,53
1,34
7,00
Снижение выхода
смолы, % (абс.)
4,38
3,96
1,47
0,36
4,90
Таблица 5.6
Коксовое число групп составляющих и первичной смолы, %
Уголь (технологи-
(технологическая группа
Ш. Комсомолец, Г6
Ш Нагорная, 1Ж26
ГОФ Северная, КЖ14
ГОФ Анжерская, ОС
Кизсливский
концентрат, ГЖ
Асфаль-
тены
31,10
34,50
34,20
31,30
С'илнка-
гелевые
смолы
35,30
45,70
30,90
28,30
5,30
5,10
4,30
6,10
Нейтраль-
Нейтральное масло
7,20
13,60
8,40
7,70
Первич-
Первичная смоли
23,0
25,1
21,7
20,6
-_, 1
27,3
Наименьшей термоустойчивостью обладает первичная смола
концентрата кизеловских углей, наибольшей -смола кузнецких углей ОС
и КЖ14. Видно, что термоустойчивость смолы определяется составляю-
составляющими, которые имеют соединения с большим содержанием гетероа-
томов: асфальтенами и силикагелевыми смолами. Превышение экспери-
экспериментально установленного коксового числа первичной смолы над
рассчитанным по долевому участию групп (табл.5.3), свидетельствует о
том, что в смеси проявляется взаимное влияние отдельных групп, приво-
приводящее к более эффективному их вовлечение в реакции поликонденсации.
5.2.1.2. Термическая устойчивость парогазовых продуктов
полукоксования углей
Метод определения термоустойчивости парогазовых продук
основан на их нагревании при заданной температуре и определений
количества образующегося пироуглерода (см. раздел 3.3 ) [155].
В нижнюю часть реторты загружают уголь, верхнюю заполня!
прокаленной фарфоровой насадкой. Камера пиролиза сетчатыми перегс
родками разделяется на несколько секций равного объема. В верхней
части реторты в течение всего опыта поддерживается постоянная
заданная температура. Показателем термоустойчивости парогазовых
продуктов G„„) принят выход пироуглерода. Параллельно также опреде-
определяли термоустойчивость первичной смолы Т- Век : Всп, (где Век и Всп-
выход, соответственно, смолы коксования и полукоксования, %).
Термоустойчивость парогазовых продуктов имеет тесную связь с
выходом летучих веществ из угля и, в первом приближении, может быть
установлена без эксперимента (табл.5.7).
Таблица 5.7
Термическая устойчивость парогазовых продуктов полукоксования и
первичной смолы
Уголь, шихта
Кизеловский концентрат
Уголь шЧертинская, 1Ж26
Уголь ш. 9/15, ОС
Производственная шихта
Губахинского КХЗ
Производственная шихта
Нижнетагильского МК
Технический
анализ,%
А"
11,7
10,5
8.1
10,9
8,1
V
36,9
32,5
16,6
31,4
26,0
Выход,%
парогазовых
продуктов
28,8
22,7
5,0
22,0
19,6
Г пироуглерода,
Вп
13,4
8,6
5,8
13,8
7,4
Термоустойчивость
парогазовых
продуктов П=100:Вп
7,5
11,6
17,2
7,2
13,5
Выход,%
Г первичной
смолы, Всп
16,3
11,9
2,8
13,7
7,7
Смолы
коксования. Век
6,3
5,7
1,3
5,5
4,5
А
ПГермоустончнвос
' „. Век
Всп
0,384
0,480
0,458
0,403
0,554
Первичная смола и парогазовые продукты полукоксования кизе-
кизеловских углей, в сравнении с таковыми из кузнецких жирных углей,
(примерно при одинаковом выходе летучих веществ) имеют самые
низкие показатели термоустойчивости. Это свидетельствует о влиянии не
только количества летучих веществ, но и состава первичной смолы и
парогазовых продуктов. Отличительная особенность первичной смолы
кизеловских углей - высокий выход нейтральных масел, которые содер-
содержат ненасыщенные соединения, а парогазовые продукты характери-
характеризуются высоким содержанием метана и непредельных углеводородов
[154].
На рис.5.8 приведена динамика отложения пироуглерода по
секциям в результате пиролиза парогазовых продуктов при 820°С.
Отмечается характерное увеличение выхода пироуглерода до 4-й секции
и уменьшение до 7-й. Эта картина в более выраженной форме повторяет
отложение "графита" по высоте стен печных камер.
144
5. ГамяЧишмичеасиеудоями в ютхуелюи зл-руже, г/юцшумманне и пи/маю намокив прр<>укш<т кпкс
5.2. Дяижетк: и пирипц нщхи-аитых щюНуктов в киксуемми мгруке и нечшш каме/м;
145
Выявлено влияние температуры пиролиза (от 720 до 920°С) на|
выход пироуглерода (Ви) из парогазовых продуктов полукоксования!
кизеловского концентрата (рис. 5.9). Если при 720°С в 4-й секции!
отложение пироуглерода составило 2,6 г, то при 820°С 10 г, а при 920°С
более 19 г, то есть скорость отложения пироуглерода при повышении)
температуры на 200° увеличилась более чем в 8 раз.
Обнаруживается некоторое своеобразие полученных закономер-1
ностей (рис.5.10): при пиролизе парогазовых продуктов из шихты НТМК
в пределах 720-820°С скорость отложения пироуглерода увеличивается
незначительно, однако в области 820-920°С существует "критическая"
температура, когда скорость резко возрастает. Проведя касательную к
кривой, соединяющей величину выхода пироуглерода при указанных
температурах, параллельную прямой, соединяющей эти же точки, можно |
определить точку перегиба кривой, условно соответствующей "критичес-
"критической" температуре пиролиза. На кривой выхода пироуглерода при полу-
полукоксовании концентрата кизеловских углей такую четко выраженную
точку перегиба установить трудно: вероятнее всего она лежит ниже
720°С.
1-
i
0.4
1.2
\ I Г
2.0 2.8
Выход пироуглерода. %
Рис. 5.8 Распределение пироуглерода в камере пиролта: I шихта НТМК: 2 - концентр
Губахинского КХЗ-60. уголь ОС-40%: 3 - концентрат Губахинского КХЗ-70%. уголь
ОС-20%. уголь 1Ж26-10%: 4 - концентрат Губахинского К'Х'1-100%.
Опыт НТМК подтверждает, что интенсивное заграфичивание
свода камер происходит при температуре подсводового пространства
выше 860-870°С, что в общем соответствует экспериментально установ-
установленной критической температуре пиролиза (см.рис.5.10, т.А). Примени-
Применительно к парогазовым продуктам полукоксования кизеловских углей,
критическая" температура пиролиза будет составлять 760-770°С (см.
рис.5.10, т. в), а производственной шихты Губахинского КХЗ с 30-50%
кузнецких углей 780-820°С (см.рис. 5.10, т.б).
На основании исследований представляется возможным устанав-
устанавливать допустимую температуру нагрева парогазовых продуктов для
обеспечения нормального заграфичивания кладки коксовых камер и
получения кондиционных химических продуктов.
Выход пироуглерода. %
"ис. 5.9 Выход пироуглерода при разных температурах пиролта парогаювых продуктов
концентрата Губахинского КХУС): I - 720: 2 - ,42A: 3 ¦- 920.
/ 46 S. ГеиаЛтшлтческнеусннти а коксуемой мгруже, фо/нт/ннишпе и пи/ю.пи щнтжпп it/vxlymutMi коксования \
5.2. Диижсчтс и ии/хтп пщмгаятых продуктов я кпксуелюм ль-руясе и печной камере
147
5.2.1.3. Термическая устойчивость парогазовых продуктов при
коксовании термически подготовленных углей
В связи с перспективой применения термической подготовк]
углей изучены особенности пиролиза парогазовых продуктов, их спо
собность к "графитообразованию".
Термическую обработку угля проводили в восходящем поток!!
теплоносителя в каскаде циклонов. Уровень измельчения кузнецких уг-|
лей составлял 82-85% класса 3-0 мм, концентрата кизеловских углей 48%.[
Конечная температура полукоксования поддерживалась на уровне|
500±10°С, температура пиролиза 850°С.
Для расчета термической устойчивости (Т,%) парогазовых продук-|
тов была принята формула :
где 5/7/7 - выход парогазовых продуктов полукоксования, г; П -
суммарный выход пироуглерода из 100 г сухих парогазовых продуктов
полукоксования, г.
920
820
720
-
/ /
1
3
/1
I
1.0
2,0 3.0
Выход пироуглерода, %
Рис. 5.10 Схема расчета критической температуры /третий паро.'сповых продуктов:;
концентрат Губахинского КХЗ: 2 - концентрат Губахииско.'о КХ'1-50%. умль 1Ж26-22
уголь ОС-28%: 3 - шихта НТМК: А.Б.В- "критические"температуры пиролиза.
Характеристика некоторых углей и угольных шихт и результаты
определения термостойкости полученных из них парогазовых продуктов
представлены в табл.5.8 [156].
Таблица 5.8
Уголь, шихта
Шихта НТМК:
влажная
сухая
Шихта Губахинского
КХЗ, ГЖ: влажная
сухая
ЦОФ Кузнецкая, Г17
влажный
сухой
ЦОФ Березовская,К13
влажный
сухой
ГОФ Анжерская,ОС
влажный
сухой
ЦОФБеловская,1Ж26
влажный
сухой
Технический
анал in, %
Wr
5,5
0,2
5,0
0,2
5,0
0,0
7,6
0,8
5,5
0,0
7,0
0,0
А"
9,6
10,8
7,5
8,3
9,3
11,8
V
26,1
34,8
37,6
24,4
15,8
34,2
Пласти-
Пластический
слой, мм
15
II
17
16
¦"
26
Количество
пиро-
пироуглерода,
П, г
8,1
8,8
17,2
13,3
18.1
17,7
14,8
15,1
8,4
7,8
7,6
6.6
Термоустой-
чнвость
парогазовых
продуктов,
Т, %
91,9
91,2
82,8
86,7
82,9
82,3
85,2
84,9
91,6
92,2
92,4
93,4
Наименьшую термоустойчивость имеют парогазовые продукты из
угля Г17 и шихта Губахинского коксохимзавода. Наибольшей термо-
термоустойчивостью обладают парогазовые продукты из углей 1Ж26
Березовской ЦОФ и ОС Апжерской ГОФ, хотя по выходу летучих
веществ эти угли существенно различаются.
Термическая устойчивость парогазовых продуктов не соот-
соответствует их выходу. Следовательно, на выход пироуглерода влияет не
только количество, но и качество парогазовых продуктов, особенно
содержащейся в них первичной смолы. Это подтверждается исследо-
исследованиями термической устойчивости первичной смолы, определяемой по
В.Н.Новикову [157]. Вероятно, на скорость образования пироуглерода
оказывает влияние и скорость прохождения парогазовых продуктов в
зоне пиролиза. Этими двумя причинами можно объяснить практически
одинаковую термостойкость углей 1Ж26 и ОС.
148
5. raiaiiittuL\m4ecKue условии ti мтсуелиш j
-*. flMt/iwi/xxuitmi: it nutxinj iHtmimHi п/их>укт1ю мн
Как видно из экспериментальных данных, устойчивость паро-
парогазовых продуктов из термически подготовленных углей и шихт
практически не изменилась. Это свидетельствует о том, что при их
коксовании способность к 'трафитообразованию", по крайней мере, не
увеличится. Более того, в связи с уменьшением времени и увеличением
скорости прохождения парогазовых продуктов по основным зонам
пиролиза в коксовой камере, возможно, потребуется разработка спе-
специальных мероприятий для обеспечения нормального уровня заграфичи-
вания кладки и получения кондиционных химических продуктов, в том
числе увеличение подсводового пространства и повышение уровня
перевала продуктов горения в отопительной системе коксовых агрегатов.
5.2.2. Продолжительность пиролиза парогазовых продуктов
коксования
Выход и качество продуктов коксования в слоевом процессе
определяется как свойствами применяемых углей, так и условиями
пиролиза смеси паров и газов, выделяющихся из угольной загрузки и
проходящих в слое полукокса-кокса, а также у нагретых поверхностей
стен и в подсводовом пространстве коксовых камер [158-161].
Основными факторами, от которых зависит глубина пиролиза газа,
является температура, продолжительность контакта в зонах нагрева и
давление. Учитывая, что в перспективе предполагается применять новые,
высокоэффективные способы подготовки углей к коксованию, а также
коксовые батареи с камерами большой емкости и повышенные скорости
коксования, представляет интерес анализ тенденций изменения указан-
указанных основных факторов пиролиза для выявления возможности управ-
управления этим процессом.
Схема и исходные данные, по которым был проведен анализ
времени пребывания парогазовых продуктов в зависимости от техно-
технологических факторов, представлены на рис. 5.11 и табл.5.9.
Парогазовые продукты с холодной стороны пластического слоя,
составляющие в общем количестве газа 10-20% [158-161], подвергаются
пиролизу только в подсводовом пространстве. Поэтому достаточно
проанализировать движение основной части парогазовых продуктов,
направляющихся на горячую сторону, глубина пиролиза которых
определяет выход и качество химических продуктов коксования, а также
условия эксплуатации печей [162].
5.2.2.1. Время пребывания газа в слое полукокса-кокса
Предполагаем, что половина газов выходит из пластического слс
а остальные равномерно выделяются в объеме полукокса-кокса. Расч!
5.2. Движение и intp/t.vrj пирогизоаых >цхм)уктт в тксуелюН j
н печнпн камере
149
Рис. 5.11 Схема движения парога-
¦ювых продуктов в печной камере:
1 - подсводовое пространство:
2 -угольная часыпь:
3 - пластический слой:
4 - полукокс-кокс:
5 - боковой зазор.
I j() 5.1'aMHUtita.xmwcKiteусихчя в коксуемой хкруукс, tlmp.\wptxuimte и пи/юча шмттт прмЬукпшв ктхтаиия
. 5.2. Дчнжеине и пн/xutrj нарогаммых продукцию в кгмсуелиш загруже и печной камере
151
соответствует моменту, когда пластический слой находится на 1/4|
ширины печной камеры от стены.
Количество газов, проходящих через сечение 1 м2, параллельное I
стене камеры и расположенное на расстоянии д: м от пластического слоя, |
равно
0,5 Q + 0,5 Q ЪсЬ-' = 0,5 Q + Qxb1,
а скорость на этом участке
где е- объем пор и полостей слоя кокса, доли единицы;
2733600т 9,83-Ю5 т.
где у- насыпная плотность шихты (на сухое), т/м3; b — полуширина
печной камеры, м; v(l - скорость газа, м7т сухой шихты ; р - доля газа,
идущего на горячую сторону; Т'- температура газа на горячей стороне
пластического слоя, К\\- продолжительность коксования, ч.
Время прохождения газами слоя толщиной dx равно
, dx dxz
v 0,5Q+ Qxb'[
Полное время пребывания газов в слое, с:
2в"? dx
, 2в? dx bz.... ..
t,=— = — ln@,5 + xb
1 Q I 1 + 2x6' Q
«¦»
An2 = ^- 2,3- 0,301 /, = 0,6931 E.1)
Объем пор и полостей коксового пирога
8 = 1--
'«*,' —
где Вк — выход сухого валового кокса из сухой шихты, %:
yw- насыпная плотность шихты, т/м3; ук- кажущаяся плотность кокса,
т/м3; ДЛ и 5 — соответственно, вертикальная и горизонтальная усадка
загрузки, м.
5.2.2.2. Время пребывания газов у стен камер
Допустим, что газ равномерно во времени и по высоте идет в зазор,
образующийся вследствие усадки загрузки между ее боковой поверх-
поверхностью и стенкой камеры. С I м2 слоя поступает Q м3/с газа. Тогда через
горизонтальное сечение 5 м на уровне от пода г м проходит Qz м7с газа со
скоростью, м/с: v =Q./8
Время пребывания газов научастке зазора между уровнями z + <fe и
г равно
. dz 5 dz
dt, =—=
v Q z
Суммарное время пребывания газов между уровнями Я,-и верхним
уровнем загрузки Н составит
'2='«,« =- —: 12=-1п— E.2)
Q „ z Q И,
Среднее время пребывания в зазоре газов, выделяющихся между
уровнями Н, и Н, равно:
1 "г , I "rS.//,
tHH = \t.dz= —In — dz =
"¦" H-H,l - {H-H,)lQ г
= - '— UlnH-\n z)dz=- fz(ln//-ln z)+zt ;
5 (Н-Н,)-Н, (InH - InH,) _ S ( ¦ InH - InH,
Q- (Н-Н,) Q\
При Hi -+ 0; Сн н = — -Const.,
то есть
152 5.1 шпдииамичесак ycinrnm в /тацткЛ эвгруже. фпрмиргяатк и трапа тжокм праАутюч джашш
Таким образом, среднее время пребывания газов в зазоре между ^
стеной печной камеры и боковой поверхностью коксуемой загрузки при
одинаковых условиях коксования не зависит от высоты печной камеры, j
5.2.2.3. Время пребывания газов в подсводовом пространстве
О.Гросскинский [163] предложил для расчета времени пребывания
парогазовых продуктов в подсводовом пространстве формулу, в которой
не учтены объемы паров бензола и смолы. Ошибка в расчете при"
коксовании влажной шихты невелика, так как наибольшее количество
паров дает вода шихты. Но при коксовании сухой или нагретой шихты,
когда количество паров резко сокращается, ошибка становится значи-
значительной. Предлагается формула, устраняющая указанный недостаток.
Суммарный объем выделившихся парогазовых продуктов, м
0,805
+
11,16 4,01
где L,B,H - соответственно, длина, ширина и высота печной
камеры,м; у - насыпная плотность угольной шихты на сухое вещество,
т/м3; \„- выход газа из шихты, м3/т; w- влажность шихты,%; G,,,, Gtl, G,-,-
соответственно, выход пирогенетической воды, смолы и сырого бензола;
0,805; 11,16; 4,01 - плотность паров воды, смолы и сырого бензола, кг/м
при молекулярной массе, соответственно, 18, 250 и 90.
В пересчете на фактическую температуру подсводового прост-
пространства и в единицу времени
v „,„ = BHLy
+ 12,44GM + 0,896^.,, + 2,49СЙ ),
где т - период коксования, ч.
Средний объем подсводового пространства, м
где h - высота подсводового пространства после загрузки печно!|
камеры,м; Ah- полная усадка загрузки в процессе коксования, м.
Среднее время пребывания парогазовых продуктов в подсводовом
пространстве, с:
5.2. jlfiiuiceime и пнршю парогазовых про)\уктол л коксуемой шгруте И печшт к
153
LB(h + 0,5/?) 3600/
BHLy
273т
v,, +
1244w
100-w
ai +2,49G6
то есть
3600-273(А
1744 w
100-w
E.5)
Полученные теоретическим расчетом данные (табл.5.9) согла-
согласуются с приведенными в [159,163]. С увеличением высоты печной
камеры (вариант 2) суммарное время пребывания парогазовых продуктов
в зонах пиролиза при коксовании влажной шихты изменяется незначи-
незначительно. Уменьшается время прохождения газов по подсводовому
пространству печных камер. !Чожно предполагать, что с увеличением
высоты камер возрастет неоднородность смолы и сырого бензола.
Повышение скорости и сокращение периода коксования (вари-
(вариант 3) ведет к уменьшению продолжительности пребывания газов во всех
зонах и суммарного времени пиролиза на 15% (отн.). Неоднородность
состава химических продуктов в этом случае должна возрасти еще
больше.
Существенно уменьшается продолжительность пребывания паро-
парогазовых продуктов в зонах пиролиза при повышении насыпной плот-
плотности угольной шихты, например, путем частичного брикетирования
(вариант 4). Еще более значительные изменения можно ожидать при
коксовании термически подготовленной шихты - суммарное время пре-
пребывания газов в основных зонах пиролиза резко (~в 2 раза) сокращается
(вариант 5.). Коксование нагретой шихты в ширококамерных печах F00
мм, вариант 6) увеличивает время пиролиза в сравнении с камерами
шириной 410 мм.
Уменьшение времени пиролиза должно отразиться не только на
составе химических продуктов, но также на выходе и качестве кокса
вследствие уменьшения отложения пироуглерода в его порах, а также на
заграфичивании поверхности стен камер коксования. Поэтому при нара-
наращивании объема печных камер, применении новых способов подготовки
угольной шихты, необходимо принимать меры для повышения пиролиза
парогазовых продуктов. В частности, при коксовании влажной шихты в
печах, имеющих большую высоту камер, достаточно будет поднять
Уровень перевала продуктов сгорания отопительного газа до 0,7-0,9 м.
При коксовании влажной, частично брикетированной, а также терми-
термически подготовленной шихты с повышенной скоростью, наряду с повы-
5. Iали'Ииш.иическиеусловии в коксуемой мгруясе, {{юрлтрпвачие и mi/ю.па namiutoenpotiymmm кикакштш
5.2. JfauAceiiue и ttujxrmj нщкихтыых н/хх)уктгм! я коксуем
e и печной каме/уе
155
шением уровня перевала, потребуется увеличить высоту подсводового
пространства до 0,4-0,5 м, что позволит поднять в нем температуру до
850-900°С (варианты 36, 46, 56). Ширококамерные печи для коксования
нагретых углей, вероятнее всего, не потребуют существенного изменения
условий пиролиза.
Таблица 5Л
Продолжительность пребывания парогазовых продуктов в разных ъонщ
печной камеру
Показатели
Объем печной камеры,
м'
Полезная высота, м
Высота подсводового
пространства после
загрузки,м
Усадка средняя, м
Период коксования, ч
Влажность шихты,%
Насыпная плотность
шихты, т/м'
Средняя температура
полсволоаого
пространства,°С
Время пребывания па-
парогазовых продуктов, с:
- в слое полукокса-
кокса ti
- в зазоре между стен-
стенкой и боковой поверх-
поверхностью коксуемой
загрузки, t2
- в подсводовом
пространстве, li
Суммарное время, с
Варианты условий коксования i
1
21,6
4,0
0,3
0,2
14,5
8,0
0,740
825
17,8
1,5
4,6
24,9
2а
41,6
6,7
0,3
0,3
14,5
8,0
0,720
825
19,2
1,5
3,4
24,1
26
41,6
6,6
0,4
0,3
14,5
8,0
0,720
825
19,2
1,5
4,0
24,7
За
41,6
6,7
0,3
0,3
12,5
8,0
0,720
825
16,5
1,3
2,9
29,7
36
41,6
6,6
0,4
0,3
12,5
8,0
0,720
825
16,5
1,3
3,3
21,1
4а
41,6
6,7
0,3
0,2
15,2
8,0
0,800
825
15,8
1,1
2,7
19,6
46
41,6
6,6
0,4
0,2
15,2
8,0
0,800
875
15,8
1,1
3,1
20,0
5а
41,6
6,7
0,3
0,2
12,0
0,0
0,850
825
10,5
0,8
2,6
14,0
56
41,6
6,5
0,5
0,2
12,0
0,0
0,850
875
10,5
0,8
3,5
14,8
6 "
60,9
,7
0,3
0,2
18,5
0,0
0,850
825
15,8
1.1
3,1
20.0
Приведенный теоретический анализ подтверждается промышлен-|
ными данными коксования влажной шихты в печах с камерами объемом
41,6 м3 [164].
5.3. О режиме работы подсводового пространства
печных камер
Выход и качество химических продуктов коксования, а также
скорость и степень заграфичивания верхней части и свода печной
камеры, повышающего их стойкость в процессе эксплуатации, зависят от
степени пиролиза парогазовых продуктов термического разложения
шихты. Степень пиролиза парогазовых продуктов, а также готовность
кокса верхней части коксового пирога зависят от температуры их
нагревания и (для парогазовых продуктов) от продолжительности
пиролиза.
Прогрев верхней части печной камеры в значительной мере
определяется уровнем перевала продуктов сгорания отопительного газа и
расстоянием от свода камеры до перегиба канала, переводящего
продукты сгорания с восходящего потока на нисходящий.
Ранее уровень перевала подбирали опытным путем, испытывая
головные образцы коксовых батарей новых конструкций. В настоящее
время это делают, исходя из высоты подсводового пространства печной
камеры после загрузки (g0) и величины вертикальной усадки шихты при
коксовании (см. разд. 4.3.2).
Эти методики для камер полезным объемом до 32 mj при подго-
подготовке угольных шихт традиционными способами обеспечивали прием-
приемлемое качество химических продуктов коксования и умеренное заграфи-
чивание кладки стен и свода. Однако дальнейшее увеличение полезного
объема печных камер, применение новых технологий подготовки шихты
при сохранении высоты подсводового пространства на уровне ~ 300 см
приводят к существенному уменьшению времени пребывания парога-
парогазовых продуктов в основных зонах пиролиза, в том числе в подсводовом
пространстве (см.5.2.2). Этим можно объяснить тот факт, что в камерах
объемом 41,6 м' с уровнем перевала 1000-1100. мм при коксовании шихт
из углей Кузнецкого и Карагандинского бассейнов своды практически не
заграфичиваются.
Далее, существует обоснованное отечественной и зарубежной
практикой мнение о целесообразности создания коксовых батарей боль-
большой мощности с одним газосборником вместо двух, как это имеет место
на большинстве отечественных батарей. Однако есть предположение, что
изменение условий эвакуации газов из подсводового пространства
приведет к изменению их степени пиролиза и качества химических
продуктов коксования.
Таким образом, при разработке конструкций большеемких коксо-
коксовых батарей, в особенности, предназначенных для коксования шихт,
которые существенно отличаются по свойствам от обычных, необходим
I JO 5. I aitM)mtu.\nNecKHtусловия л коксуемой jgrpyjKe, формщхжшме и tmpo.mi ионюкаи прайуямт коканхлшя
5.4.Расчетуровни перешню продуктов стратыотопите,ihimrrt лиа ("уровняобогрева")
157
новый подход, учитывающий время пребывания парогазовых продуктов!
и степень их пиролиза в основных зонах. '
теплопроводности материала стен, кДж/(м-ч-°С); d — средний путь
теплопередачи,м, из геометрических соображений равен (см. рис.5.12):
5.4.Расчет уровня перевала продуктов сгорания
отопительного газа ("уровня обогрева")
В основу предлагаемого способа положены следующие со-
соображения:
— условия пиролиза при коксовании обычных шихт в камерах объемом
20,0-21,6 м обеспечивают получение кондиционных химических
продуктов, ощутимое заграфичивание сводов и верхней части стен;
такие же условия, с некоторым допуском, необходимо создать при
изменении свойств угольной загрузки и конструкций печей;
— условия пиролиза определяются высотой подсводового пространствам
временем пребывания в нем парогазовых продуктов;
— температура подсводового пространства в рабочем диапазоне не влияет
на направление, но оказывает значительное влияние на скорость
пиролиза парогазовых продуктов; скорость реакций пиролиза является
экспоненциальной функцией температуры.
Температуру подсводового пространства и время пребывания
парогазовых продуктов коксования в нем предлагается рассчитывать
уточненному способу [163].
Количество тепла, передаваемое парогазовым продуктам
подсводовом пространстве с 1 м2 поверхности стен за 1 ч:
E-6)
где G,, — скорость выделения сырого газа в расчете на I т сухой
шихты, м'ч; ун - насыпная плотность сухой массы угольной загрузки,
t/mj; Н - полезная высота печной камеры, м; b - средняя ширина печной |
камеры, м; с - теплоемкость сырого газа, по [162] 1,844 кДж/(м3с); /,•
температура подсводового пространства, °С; 1„ - температура парога-|
зовых продуктов на входе в подсводовое пространство,°С; g - средняя
высота подсводового пространства за период коксования, м ( из рис.5.12 |
видно, что
g=go+0,5Ag);
tx - температура стен, ограничивающих подсводовое
пространство,°С; о: - коэффициент теплоотдачи от стен к газу, по [162]
а = 146,7 кДЖ/м"ч°С; /« - температура обогрева (средняя температура в
контрольных отопительных каналах),°С; А. - коэффициент
' = 0,5{(Г +м2)"-5
При u<g d =s+ @,5и/g)[(s2 +u2)"' -s],
где 5-толщина стен печной камеры в верхней части, м. Исключив
из уравнения E.6) /„ получим:
Рис. 5.12 Обогрев подсводового пространства
/ Jo
уснмтм в коксуемой мгрулсе, «ро^итрошатне и пиршю потоков продуктов коккхнзиим
5.J.Расчет уровня перевала щмМукяюв сгпраннн (тшштшзьшк-о ,\иа ("уровня абпгреяа ")
159
t, =/„ +¦
¦(GoyH bHc/7g)[(d/X)
E.7)
Входящие в эту формулу параметры с и а известны, b и Н
определяются конструкцией печной камеры, X - материалом стен. Для
вычисления d и g необходимо знать величину усадки шихты при
коксовании (Ag). Ее вычисляют по формуле :
Ag = | О tf E,32 И w' + 2,74 И Г' - 42,2 Ww'+1788)
где И - уровень измельчения шихты, % (содержание класса < .
мм); w' - рабочая влага шихты,%; v''- выход летучих веществ из шихты^!
%. Параметр Go вычисляют по формуле, аналогичной приведенной
[163]:
С„ = 12,44/7;' {К A -0,0 lw' )' + w',' ] + 0,8967/ + 2,489В;' + GJK},
где Пк - период коксования,ч; w^7"/S^,(j^- выход из сухой
шихты соответственно пирогенетической воды, смолы, сырого бензола!
(%) и коксового газа (м7т).
Насыпную плотность в печной камере уИ рассчитывают
формуле:
ун = 0,820 - B,72-10^ И2 L/n)- C,33- \0'' И3 Н/Ь),
где L - полезная длина камеры, м; и - число загрузочных люков.
Температуру парогазовых продуктов на входе в подсводовое
пространство ta рассчитывают по правилу аддитивности:
ta =р/„ +A-C)/1( где C - доля "внешних" газов от всего количества
парогазовых продуктов коксования(при расчетах принято C = 0,7); iw -
температура "внешних" газов (она принимается равной температуре стен
печной камеры со стороны загрузки),°С; /v - температура "внутренних"
газов (она принята равной 300°С).
Температуру стен камеры fw рассчитывают следующим образом.
Обозначим скорость передачи тепла в камеру через стены (кДж/Чг ч),
через </. Тогда q = (lH -/„ ){X/s)oiKyaa tn =tn -(qs/X).
Из баланса тепла в печной камере следует, что
Где г) — доля тепла сгоревшего отопительного газа, передаваемая
внутрь камеры; Q - расход тепла (кДж) на коксование I кг шихты
фактической влажности. Выражая г| в %, получим:
Так как термический к.п.д. коксовых печей при обогреве коксовым
газом составляет 82-84%, а потери тепла в окружающее пространство
10% (из которых половина приходится на потери через поверхности
обогревательных простенков), г| можно принять равным 78%; при
обогреве доменным газом г) = 73%.
Время пребывания (среднее) парогазовых продуктов в под-
сводовом пространстве т можно рассчитать по формуле :
т = (9,828.105я)[Соу„"(/(+273)] ' E.8)
Таким образом, -зная показатели качества и уровень измельчения
угольной шихты для коксования, подготовленной традиционными мето-
методами и конструктивные параметры системы печей, принятой за эталон,
можно по формулам E.7) и E.8) найти эталонные условия пиролиза:
температуру /t и среднюю продолжительность пиролиза т0. Для того,
чтобы степень пиролиза парогазовых продуктов в камерах, для которых
рассчитывается уровень перевала продуктов сгорания, была равна
эталонной необходимо, чтобы в этих камерах температура подсводового
пространства ts и время пребывания парогазовых продуктов в подсво-
довом пространстве т удовлетворяло уравнению
Т/ТA =2"'--'¦''/»
Подставляя в это уравнение значение т из E.8), получим
t, =67lg(t, + 273)+ /ln -67/g[(9,828-IO5f )/(С„ун//т„ )] E.9)
Это уравнение легко решается методом последовательных прибли-
приближений, причем в качестве первого приближения удобно взять /v . Под-
Подставив его в правую часть уравнения E.9), получим второе приближение
Для ts. Повторяя эту процедуру, получим последующие приближения.
Расчет можно считать законченным, если два последовательных
приближения различаются меньше, чем на 1°С.
Теперь из уравнения E.7) можно определить величину </, при
которой обеспечивается заданное значение/,:
d = HtH -ОС, -О \2g(GnyHcbH)"'a '].
Наконец, решая выражения для d относительно я, определяем
необходимую величину уровня перевала продуктов сгорания. С
Достаточной точностью решение можно найти при помощи номограммы
160
5. I аимппшлтческиеуситш в yrwcytu/Ы/ jarpyjta:, фарлтроайты и пнршт нцпощг
коксования
5.4.Уасчетуровня iiejwtia.io н/юдуюпов сгорания отопительного ,-та ("yptmim mkwpeea")
161
d.M
0.8 ~
0.7 -
0,6 -
0,5 -
0.4 -
0.3 -
0.2 -
--\
¦—и
0.4
0.5
0.6
0.7
9. М
(рис.5.13), составленной для толщины стен 90-105 мм. Для этого на
номограмме находят точку с координатами g и d и ближайшую к этой
точке линию для заданной толщины стен. Соответствующее этой линии
значение и является искомым.
В табл.5.1С приведены результаты расчетов уровня перевала
продуктов сгорания по изложенной методике. Во всех случаях толщина
стен камеры равна 105 мм, коэффициент теплопроводности их материала
6,3 кДж/(м-ч-°С). Принято, что шихта для коксования имеет влажность
8%, выход летучих веществ 26%, уровень измельчения 75% класса <3 мм,
выход продуктов коксования составляет: смолы 3,2%, сырого бензола
1,1%, пирогенетической воды 3,5%, газа 320 м7т. Для частично
брикетированной и термически подготовленной шихт насыпная плот-
плотность, усадка, влажность, выход химических продуктов коксования при-
приняты по экспериментальным данным ВУХИНа. Вариант I -эталонный по
условиям пиролиза.
Таблица 5.10
Рис. 5.13 Номограмма для определения уровня перевал» продуктов сгорания.
Показатели
Размеры печной камеры, м:
полезная длина
средняя ширина
полная высота
Число загрузочных люков
Способ подготовки шихты
Высота нодсводового
пространства после загрузки, м
Средняя температура обогрева,
"С
Период коксования, ч
Расход тепла на коксование,
кДж/кг
Насыпная плотность загрузки,
т/м1
Вертикальная усадка,мм
1ребуемая температура
"олсвидового пространства, °С
Время пребывания в
чодсводовом пространстве, с
Уровень перевила продуктов
.^рания, м
Варианты условии коксовании
1
13,27
0,407
4,30
3
2
15,16
0,41
7,00
3
3
15,16
0,41
7,00
3
Традиционный
0,3
1350
14,8
2367
0,739
359
858
4,38
0,85
0,3
1350
14,8
2367
0,720
540
868
3,16
0,70
0,4
1350
14,8
2367
0,720
534
862
3,77
0,90
4
15,16
0,41
7,00
3
5
15,16
0,41
7,00
3
Термоподготовка
0,3
1310
13,8
2011
0,850
216
877
2,29
0,30
' 0,4
1310
13,8
2011
0,850
214
870
2,90
0,40
6
15,16
0,48
7,00
4
7
15,16
0,48
7,00
4
Традиционный
0,3
1350
18,8
2409
0,743
540
861
3,91
0,80
0,4
1350
18,8
2409
0,743
534
856
4,66
1,10
162
5. /ажх)шш.\д*ческ1Кусловия а коксуеиЫ/ загружав фощтрояаит.' н uii/xt.inj шнипкоа щтлукшап кпксиваюш
5.4.Расчету/хтт tie/M»ui:ui н/хтуктаи счцюшш апю/шпи'.'ыи^а ^аш ("у/хтня тюг^ыаа ")
163
Продолжение таблицы 5.10
Показатели
Размеры печной камеры, м:
полезная длина
средняя ширина
полная высота
Число загрузочных люков
Способ подготовки шихты
Высота подсводового
пространства после загрузки, м
Средняя темперагура обогрева,
°С
Период коксования, ч
Расход тепла на коксование,
кДж/кг
Насыпная плотность загрузки,
т/м'
Вертикальная усадка,мм
Требуемая температура
подсводового пространства, "С
Время пребывания в
подсводовом пространстве, с
Уровень перевала продуктов
сгорания, м
Варианты условий коксования
8
15,16
0,48
7,00
4
9
15,16
0,48
7.00
4
Термопод-
гитовка
0,3
1310
17,5
2045
0,860
216
870
2,89
0,30
0,4
1310
17,5
2045
0,860
214
863
3,66
0,50
10
15,16
0,48
7,00
4
11
15,16
0,48
7,00
4
Частичное
брикетиро-
брикетирование
0,3
1350
19,8
2422
0,817
324
869
2,98
0,50
0,4
1350
19,8
2422
0,817
320
863
3,69
0,70
12
16,00
0,60
7,00
4
13
16,00
0,60
7,00
4
Традици-
Традиционный
0,3
1350
27,2
2493
0,743
540
850
5,71
0,40
0,4
1350
27,2
2493
0,743
534
845
6,81
0,60
14
16,0 0
0,60
7,00
4
Термо
подго-
подготовка
0,4
1310
25.4
2116
0,870
214
852
5,31
0,90
Видно, что при увеличении высоты печной камеры для обес-5]
печения постоянной степени пиролиза парогазовых продуктов коксо-
коксования, необходимо приближать уровень перевала к уровню свода камеры.
Расчетная величина уровня перевала для коксовых батарей с камерами
полезным объемом 41,6 м1 (вариант 2) существенно меньше, чем
принятая на практике A000-1200 мм), но она близка к соответствующей
величине коксовых батарей иностранных фирм. Так по сведениям фирмы
"Ниппон Стил", для батарей с камерами высотой 6,5 м и = 610 мм, а
высотой 6,0 м при усадке шихты 450 мм и = 630 мм; величина подсво-
подсводового пространства после загрузки в обоих случаях составляет 350 мм.
При увеличении высоты подсводового пространства после
загрузки необходимая величина и, как следовало ожидать, увеличи-
увеличивается. Влияние остальных изученных факторов на и разное: они могут и
снижать и увеличивать эту величину.
Например, при увеличении ширины камеры и коксовании влажной
шихты и проходит через максимум, а при коксовании термически
подготовленной шихты - возрастает с ускорением. Поэтому для каждого
конкретного случая необходим анализ по изложенной методике.
5.5. Расчет температур и степени пиролиза по длине
подсводового пространства
Пусть на расстоянии jc от нейтрального сечения (в которое
поступают только газы из угольной загрузки) ширина камеры равна А,
температура в обогревательных простенках /„, расход тепла на коксо-
коксование Q, насыпная плотность шихты у„, температура в подсводовом
пространстве /. Тогда для элемента подсводового пространства, огра-
ограниченного координатами л- и x+dx (рис.5.14), уравнение теплового
баланса имеет вид:
+ GoctjbHyHdx=Gac(t + dt) \bHyHdx
где tm— температура газов, поступающих в подсводовое
пространство. Принимая ун постоянной, получим после преобразований:
В качестве первого приближения можно принять, что все
переменные изменяются по длине камеры линейно. Тогда оказывается,
что
'„ =';„ +(/«. -/„„ i\ + (GtlHcyHbJ2g{^+±)}
L \Л а)}
'. = '¦¦ + {[(*, - ь0)/ ь„ кг„, -/,,) + /„, - /„„} х
164
5. ГашУшишичсскнеус.ншин н киксуелюк затру jku, фпр.\щнкинте и пнро.тз потоков прог)укпюв коксовании
¦5.5. Расчет темпе/юту/) и степени пирышм на еХише »Ы)стм)ов{ЪУ
165
где нижний индекс 0 относится к параметрам при л; = 0, а индекс I - |
к параметрам прих = I (см. рис.5.14).
В табл. 5.11 приведены результаты расчета температур подсво-
дового пространства по длине камеры для вариантов I и 2 (основные
условия расчетов - по табл. 5.10), при двустороннем отводе газов и их
отводе только с одной стороны. При расчетах дополнительно принято:
'"конусность" камер 50 мм, разность температур обогрева по длине
камеры 50°С, разность расходов тепла на коксование по длине камеры
50,3 кДЖ/кг, и - 1000 мм (для варианта 2.).
Как видно, перепады температур по длине подсводового прост-|
ранства крайне незначительны, и отвод газов с одной стороны по уровни
температур практически не отличается от двустороннего отвода.
Для анализа степени пиролиза парогазовых продуктов можно
температуру и константу скорости пиролиза принять постоянными. Если
концентрацию распадающегося вещества обозначить у, константу
скорости распада к, а порядок реакции принять равным 1, то уравнение
материальною баланса для участка подсводового пространства, ограни-
ограниченного координатами д: и x+dx, будет иметь вид:
jbHyHdx
х=о
где уа - концентрация распадающегося вещества на входе в
подсводовое пространство. Иначе
^ \bdx + yb + (gbky/HyHGu )=yab.
six- J
dx
Если величина b линейно зависит от д:, то физический смысл при
.г=0 имеет лишь одно решение этого уравнения:
Уа
y = -
Таким образом, концентрация не меняется по длине камеры и
способ отвода газов не влияет на нее.
Таблица 5.11
Показатели
Ширина камеры, м
Температура
обогрева, °С
Расход тепла на
коксование, кДж/кг
Go, м'/(тч)
q, МДж/(м2ч)
1», °С
ta, °С
d,M
Температура подсво-
подсводового пространства
(°С), при отсосе:
двустороннем
с м.с.
С КС
..
м.с.
0,382
1325
2342
32,25
18,94
1009
796
0,480
0,621
860
862
859
Варнаит 1
средн.
люк
0,407
1350
2367
32,25
20,39
1009
796
0,480
0,621
858
-
-
к.с.
0,432
1375
2392
32,25
21,88
1010
797
0,480
0,621
857
859
856
Вариант 2
м.с
0,385
1325
2342
32,25
18,60
1014
800
0,570
0,724
842
843
841
средн.
люк
0,410
1350
2367
32,25
20,02
1016
801
0,570
0,724
841
-
-
к.с.
0,435
1375
2392
32,25
21,46
1016
801
0,570
0,724
840
841
839
I'uc. 5.14 Отсос гаюв \п подсводового пространства.
¦"¦''¦ -машинная сторона: к.с. - коксовая сторона.
166
6. Палышмиие тф4*еютшш>спш сущ
н подгплювки и киканилтя jey
6. Повышение эффективности существующей
технологии подготовки и коксования углей
6.1. Требования к качеству доменного кокса
Качество кокса как доменного топлива определяется условиями,
которые имеют место в доменной печи при выплавке чугуна и обус-
обусловливаются рядом факторов. К числу определяющих из них относятся:
природные свойства углей, требования технологии доменного процесса с
учетом качества других сырьевых материалов, возможностей техники и
технологии подготовки угольной шихты и ее коксования.
Все характеристики кокса можно подразделить на 4 группы:
физические, физико-механические, физико-химические и химические.
К физическим свойствам относятся: истинная и кажущаяся плот-
плотность, пористость, электросопротивление, тепловые свойства ( тепло-
теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность).
Физико-механические свойства-это гранулометрический состав,
прочность по отношению к дробящим и истирающим усилиям, трещино-
ватость, газопроницаемость.
В соответствии с существующим стандартом, показатели проч-
прочности характеризуются количеством кокса с размером кусков более 25
или 40 мм (М25, М40) и менее 10 мм (МЮ) после испытания в малом
барабане.
К физико-химическим характеристикам кокса относятся его;
горючесть и реакционная способность. Под горючестью понимают,
скорость взаимодействия с кислородом, а под реакционной способ-:,
ностью - с оксидами углерода и др.
К химическим характеристикам кокса относится его химический
состав. Обычно определяют: содержание углерода, водорода, кислорода,
азота, серы, фосфора, выход летучих веществ, влажность и зольность.
Для оценки качества кокса у поставщика и потребителя в
настоящее время выбраны и используются следующие пять основных
показателей: зольность, влажность, гранулометрический состав, меха-
механическая прочность.
В соответствии с имеющимися многочисленными эксперимен-
экспериментальными данными, обобщенными в "Методике анализа изменении
удельного расхода кокса и производительности доменных печей под
влиянием изменений технологических параметров доменной плавки ,
разработанной в ИЧМ в качестве единого отраслевого документа и
утвержденного бывш. МЧМ СССР 10.07.84 г, изменение отдельных
6.1. Требования к качеству гкхиеннпгп кокса
167
показателей качества кокса приводит к следующим изменениям его
удельного расхода и производительности доменной печи:
Факторы и единицы измерения
Уменьшение зольности кокса на
каждый 1%
Уменьшение содержания серы на
каждые 0,1%
Повышение прочности кокса по
индексу М25 на каждый 1%
Уменьшение истираемости по индексу
МЮ на каждый 1%
Расход кокса,%
-1,3
-0,3
-0,6
-2,8
Производительность,
%
+ 1,3
+0,3
+0,6
+2,8
Мнения по требуемым значениям указанных выше характеристик
различны.Так, З.И.Некрасов [165] считает, что зольность кокса для
мощных доменных печей не должна превышать 9%. По мнению
М.Г.Скляра [ 166], зольность кокса должна быть на уровне 10%.
На основе разработанных методических положений [167],
базирующихся на учете как удельных затрат по топливной составляющей
на производство чугуна, так и прочностных характеристик кокса,
полученных фактических данных по изменению технико-экономических
показателей по утлекоксовому и доменному переделам КарМК и
выполненных расчетов применительно к условиям КарМК, ЧерМК и
ЗСМК,где коксуются преимущественно концентраты, соответственно,
углей Карагандинского, Печорского и Кузнецкого бассейнов, установ-
установлены оптимальные значения зольности концентратов (шихт для кок-
коксования), которые находятся на уровне, соответственно, 10,3 , 8,5 и 8,5 %.
Снижение зольности концентратов на каждые 0,1% от установ-
установленного уровня приводит к убытку, составляющему для трех указанных
предприятий более 2,5 млн долл. (в ценах 1982 г.) на годовой объем
производства чугуна.
При коэффициенте озоления шихты в процессе коксования,
равном примерно 1,32 для углей указанных бассейнов, расчетная золь-
зольность кокса из шихт только углей Карагандинского, Печорского и Куз-
Кузнецкого бассейнов составит для установленного оптимального уровня
зольности концентратов, соответственно, 13.6, 11.2 и 11.2 %. Эти
значения близки к получаемым фактически данным зольности кокса на
КХП КарМК и ЧерМК (хотя в их шихтах для коксования присутствует
11-17% малозольных концентратов из углей Кузнецкого бассейна) и
приблизительно на 1% выше, чем для кокса КХП ЗСМК.Последнее
объясняется тем, что на ЗСМК 'используются самые малозольные
концентраты из лучших по обогатимости углей Кузбасса. Например, из
Углей Чертинского месторождения получают концентрат с зольностью
'0-12%, который не входит в шихту КХП ЗСМК.
168
niu сун/есгннующей тсхио.югки подготовки и коксования yc.ieii
6.1. У'/ми'иншиия к качеству tkxueiiiinro кокса
169
Таким образом, зольность концентрата и кокса на рассмотренных
трех комбинатах близка к оптимальным значениям или, во всяком случае,
практические данные не превышают расчетный оптимальный уровень
зольности. Дальнейшее снижение зольности концентратов УОФ (а
следовательно, и кокса) приведет к существенному снижению выхода
концентрата, потере его с малоценным промпродуктом и резкому ухуд-
ухудшению экономики предприятий из-за природного состава углей.
Несомненно, что при разработке последнего ОСТ 14-7-234-90 на
качество кокса учитывались изложенные обстоятельства при установ-
установлении показателей зольности кокса из углей различных бассейнов и они|
близки к оптимальным.
Предельное содержание серы в коксе, по мнению [165], не должно]
превышать 1,8%.
Требования к доменному коксу по крупности и прочности,
определенные Всесоюзным совещанием доменщиков в 1978 г: для Юга,
Центра и Северо-Запада - крупность 30-60 мм, прочность по ГОСТ
5953-72 М25-90%, М10-6%; для Востока-крупность 30-60 мм, прочность
М25-88%, Ml0-7%.
Указанные требования к крупности и прочности кокса могут быть|
в настоящее время выполнены лишь частично. Для их реализации необхо-
необходима модернизация коксового производства с организацией механи-
механической обработки крупного кокса. Вместе с тем, требования к крупности
кокса представляются недостаточно обоснованными. При их определе-
определении предполагали, что крупность кокса должна соответствовать
крупности агломерата для максимальной газопроницаемости всей
доменной шихты. Но не было учтено, что кокс и агломерат в доменной
печи разрушаются с разной скоростью. Исходя из одних и тех же
предпосылок, специалисты приходят к значительно различающимся
пределам крупности кокса, мм: 25-60, 30-60, 20-60, 20-40, 40-60, 40-70,
40-80 и др.
В числе других требований к коксу предлагают низкую
реакционную способность и высокую термоустойчивость. Следует
отметить, что методика определения термоустойчивости до настоящего
времени не разработана, а стандартная методика определения реакци-
реакционной способности распространения не получила. Поэтому конкрети-
конкретизировать требования по указанным показателям не представляется
возможным.
Особо обращается внимание на необходимость поддержания
узких пределов колебаний основных показателей качества кокса, а
именно, %: золы ±0,3; серы ±0,05; влаги ±0,1 при сухом и ±0,5 при мокром
тушении; М25 ±1Д М10 ±0,5.
Требования к качеству доменного кокса за рубежом существенно
различаются, в первую очередь, по массовой доле золы и серы, что можно
объяснить особенностями сырьевой базы коксования и технико-
экономическими соображениями. По [168], например, массовая доля
золы кокса должна составлять, %: в Англии не более 8, во Франции менее
10, в Японии до 12,5, в Индии не более 25. Массовая доля серы в коксе, %:
в Англии не более 0,6, во Франции менее I, в США менее 1,25, в Японии
0,5-0,9. Требования к влажности различаются не очень сильно: не более
4-5%.
Более существенны различия в крупности кокса. В США исполь-
используют кокс +25 мм, в Японии 25-70 мм, в Англии и Франции не ограни-
ограничивают верхний предел крупности, а на некоторых предприятиях приме-
применяют классы 20-80 и 30-75 мм. В Германии используют кокс 20-80 и
40-100 мм. Испытания, проведенные на трех заводах ФРГ, показали, что
при высокой прочности кокса результаты доменной плавки зависят, в
основном, от содержания в коксе классов +40 мм: чем их больше, тем
выше производительность доменной печи. Указанные различия в требо-
требованиях к крупности кокса объясняются особенностями рудной части
доменной шихты, условиями ведения плавки.
В соответствии с действующим ныне ОСТ 14-7-234-90, кокс
доменный из углей восточных районов (Кузнецкого, Карагандинского,
Печорского) марок КД1-КДШ должен отвечать следующим требованиям:
Показатели
Зольность, %, не более
Массовая доля общей влаги в коксе мокрого
тушения, %, не более
Массовая доля общей серы, %, не более
Массовая доля кусков менее 25 мм. %, не более
Выход летучих веществ, %, не более
Механическая прочность кокса, %:
М10 не более
М25 не менее
М40 не менее
Значения для кокся
+40 мм
11,5-13,6
5,0
0,5-0,8
3-4
1,2
10-11
-
55-60
+25 мм
11,5-13,6
6,0
0,5-0,8
4-4,5
1,5
II
82
-
Показатели выхода летучих веществ и прочности не являются
браковочными.
По средним данным за 1995 г доменный кокс КХП восточного
региона характеризуется следующими показателями качества, %: влага
рабочая - 2,6; зольность - 11,6; сернистость - 0,5; выход летучих
веществ- 0,9; М25 - 87,2; М10 - 7,3; М40 - 64,6 и М10 - 8,5. Таким
образом, в среднем качество кокса отвечает требованиям приведенного
выше стандарта. Это не означает, однако, что показатели качества кокса
из у глей разных бассейнов близки к средним. Наибольшие отличия имеет
170
6. Повышение n/u/ieKniintiwfnm сущеаивукпчей технологии поА.чтювки и коксования уг.тй
кокс из углей Карагандинского бассейна или из шихт с их преи-
преимущественным участием. Так, например, наиболее важный показатель
качества - зольность для кокса из углей Карагандинского бассейна
достигала 13,4%, а для кокса ОХМК из шихты с небольшим участием
углей Карагандинского бассейна - 12,4% (данные 1989 и 1990 гг).
Наименьший уровень зольности 11,1-10,3% отмечается для кокса ЧерМК
и ЗСМК, где коксованию подвергаются шихты, соответственно, из углей
Печорского (с небольшим участием Кузнецкого) и Кузнецкого
бассейнов.
Причиной существенной разницы в зольности кокса из углей
Карагандинского бассейна в сравнении с углями Кузнецкого и
Печорского бассейнов является качественно-количественный состав
рядовых углей. Он определяет различия в трудности обогащения углей,
выходе и зольности копцентратпых фракций, их спекаемости, петро-
петрографическом составе. Так, по результатам выполненных в ВУХИНе
исследований установлено, что если зольность одноименных кон-
центратных фракций плотностью менее 1400 Kr/MJ из углей Печорского и
Кузнецкого (марка К) бассейнов составляет, соответственно, 7,2 и 5,7%,
то из углей Карагандинского бассейна она равна 8,7%. Л выход этих
фракций составляет, соответственно, 79.9, 68.5 и 53.2%.
Содержание серы в коксе предприятий восточных районов
колебалось в небольших пределах @,41-0,70%), что обусловлено доволь-
довольно близкими значениями содержания серы в концентратах углей
восточного региона (кроме кизеловских, кокс из которых используется*
для цветной металлургии).
Не очень значительно отличаются между собой и другие
показатели качества кокса из углей различных бассейнов влажность,
выход летучих веществ и прочностные характеристики.
Крупность и механическая прочность кокса отражают влияние
всех генетических и технологических факторов его производства состава
и свойств угольных шихт, их подготовки, условий коксования, тушения и
сортировки, определяют работу доменных печей и, следовательно,
являются наиболее важными показателями качества кокса.
Используемый ныне на действующих доменных печах кокс из
углей восточных бассейнов имеет следующий средний грануломет-
гранулометрический состав (%) по классам крупности, мм: +80 16,1; 80-60 -¦ 39,3;
60-40 - 34,6; 40-25 - 7,6; 25-0 - 2,4.
В результате совершенствования подготовки железорудных мате-
материалов к доменной плавке значительно снижается их крупность (сорти-
(сортированный агломерат до 10-30 мм, окатыши до 10-15 мм), повышается
прочность и абразивность. Этим ставится задача - снижение верхнего
¦ предела крупности и повышение равномерности гранулометрического
I
6.1. Треапвтшя к качеству
171
состава кокса, что должно способствовать снижению его удельного
расхода на выплавку чугуна.
Повышение прочности и абразивных свойств железорудных
материалов, увеличение количества и скорости газовых потоков, несу-
несущих абразивную пыль, оправдывают повышенные требования к механи-
механической прочности кокса, главным образом, к его истираемости,
оцениваемой но показателю М10.
Постоянно изменяющиеся условия - качество сырья для коксо-
коксования, конъюнктура производства и потребления чугуна и кокса,
технология подготовки и коксования шихты не позволяют в настоящее
время четко определить необходимый для каждого коксохимического
предприятия уровень прочностных характеристик кокса и его грануло-
гранулометрический состав. Тем не менее, можно сформулировать основные
требования на перспективу к некоторым показателям его качества,
которые довольно обоснованно определены в работе [169]. Они сводятся
к следующему.
Основным показателем крупности доменного кокса является
уровень содержания в нем класса 40-60 мм, совокупность металлур-
металлургических свойств которого в наибольшей степени отвечает требованиям
доменного процесса.
Нет достаточных оснований для отказа от применения в доменной
плавке кокса крупностью 60-80 мм с учетом улучшения его качества и от
рассортировки товарного кокса крупностью 25-80 мм на узкие классы
25-40 и 40-80 мм или другие с раздельной подачей их в доменные печи.
Применение для выплавки чугуна кокса крупностью 25-60 мм
может быть оправдано при выявлении эффективности его производства и
потребления.
В целях сохранения ресурсов кокс крупностью +80 мм (при
выявлении эффективности) следует подвергать механической обработке,
а малосернистый кокс крупностью +80 мм целесообразно использовать
на литейные нужды.
По мнению [170], качество кокса для доменных печей объемом
¦5000 м3 и более должно быть улучшено, в первую очередь, путем
повышения его механической прочности (М25 90% и более), снижения
истираемости (Ml0-6% и менее) и исключения крупных фракций (+60
или +80 мм). Эти уровни были подтверждены и на Всесоюзном сове-
совещании коксохимиков в 1979 г.
Таким образом, в условиях дальнейшего увеличения объема
Доменных печей, снижения расхода кокса и интенсификации доменного
процесса потребуется кокс, равномерный по гранулометрическому
составу и с высокой механической прочностью.
172
ami: -х/кречтиттсти суч/аптутщеп тепмал-т кАчяипккч
It КПКС(НШИЧИ уГ.1
I
6.2. (Ыпт.мтацпяу/хншм ихме.тченииу.чмышх ншхт
173
Крупность кокса обычно выбирают в соответствии с крупностью
используемой доменной шихты и, как правило, крупнее, чем рудный
материал. Единых требований и обоснований в этом вопросе нет [168].
В связи с тем, что требования к качеству кокса не остаются
неизменными, технология коксования должна совершенствоваться с уче-
учетом требований потребителя и быть достаточно гибкой.
Сопоставляя информацию о требованиях к качеству кокса в РФ (б.
СССР) и за рубежом, можно сделать следующие общие выводы. Золь-
Зольность и сернистость, в основном, определяются особенностями угольной
сырьевой базы коксования, технологией обогащения и экономикой.
Влажность кокса ограничивается не столько средними значениями,
сколько пределами колебаний. Крупность кокса 25 (или 40)-80 (ЮО) мм
представляется оптимальной и наиболее обоснованной.
В условиях интенсификации доменного процесса основные
параметры плавки определяются не только уровнем показателей качества
кокса, но и их стабильностью. Это требование приобретает особо важное
значение при снижении удельного расхода кокса и приближении его к
теоретическому пределу.
На основе развития теории промышленного процесса коксования
имеется возможность совершенствования существующей технологии,
являющейся исходным рубежом к созданию новых процессов. В част-
частности, к таким работам относятся оптимизация уровня измельчения
угольных шихт, повышение эффективности использования полезного
объема печных камер, оптимизация режима обогрева печей для улуч-
улучшения качества кокса, условий эксплуатации коксовых батарей, повы-
повышения сохранности печного фонда и совершенствование сухого тушения
кокса. Эти работы объединены обшей идеей - реализовать резервы
действующего производства для повышения его эффективности и, вместе
с тем, выявить условия для осуществления перспективной технологии.
6.2. Оптимизация уровня измельчения угольных шихт
Формирование гранулометрического состава и свойств классов
крупности при измельчении углей, как было показано ранее, происходит
в зависимости от их петрографического состава, степени минерализации
и стадии метаморфизма. При повышении уровня измельчения увели-
увеличивается различие в свойствах отдельных классов крупности.
Оптимизация измельчения в силу различного, а иногда противо-
противоположного, действия некоторых свойств углей на коксуемость оказы-
оказывается весьма сложным делом. Поэтому, несмотря на большое
количество работ, до настоящего времени не разработаны надежные
критерии оптимизации уровня измельчения.
6.2.1. Анализ существующего уровня измельчения.
В течение последних 30 лет на коксохимических предприятиях
систематически снижался уровень измельчения углей перед коксо-
коксованием: содержание класса < 3 мм в готовой шихте уменьшилось от 89 в
1965 г. до 75% в [995г. (рис. 6.1.). Такая тенденция обосновываете»
увеличением в шихтах доли углей мокрого обогащения: с 82% в 1968 г.,
практически, до 100% в 1990-95 гг. При этом содержание породных
фракций в шихтах уменьшилось в~2 раза, а пром продуктовых-в 1,5 раза
(табл 6.1). Усовершенствована технология измельчения углей. Улуч-
Улучшению вещественного состава способствовало также изменение
сырьевой базы предприятий: частично заменены угли группы Г6 на Г17;
доля углей Ж + КЖ + К возросла с 50-60 до 70-80%.
Таблица 6.1
Фракционный анализ угольных шихт
Металлургические
комбинаты
Челябинский
Нижнетагильский
Кузнецкий
Западносибирский
Карагандинский
. Годы
1970
1990
1970
1990
1970
1990
1970
1990
1970
1990
Выход фракций (%) плотностью, г/смЗ
< 1,4
88.0
89,8
85,6
89,7'
76,5
82,6
79,4
80,4
84,4
86,1
1,4-1,8
9,0
8,1
и,з
8,5
13,7
10,7
18,7
17,7
12,3
10,8
>1,8
3,0
2,1
3,1
1,8
9,8
6,7
1,9
0,9
3,3
3,1
Дальнейшее снижение уровня измельчения может повлечь за
собой увеличение количества крупных классов в конечном продукте, что
отрицательно отразится на структуре и прочности кокса. Вместе с тем,
нельзя не использовать резервы снижения помола, для уменьшения
энергозатрат, повышения плотности шихты и производительности
коксовых печей. Таким образом, вопрос оптимизации помола является
актуальным, особенно в условиях ухудшения угольной сырьевой базы,
поэтому необходимо иметь надежный метод его оперативного
определения.
174
Л. Повышение уффекппишастн существующий mtixiuLutcitu mimIsohmmku и мжсонаиия y.vicii
(t.2. Ошпши-юцияyjxmui нит:1ьчвнияуы/ьныг mttxm
175
6.2.2. Метод определения оптимального уровня измельчения
Не затрагивая подробно научных основ метода и обоснования
параметров оптимизации, отметим, что уровень измельчения шихты (И)
зависит от спекаемости углей (С), степени засоренности их мине-
минерализованными частицами (М) и равномерности их распределения по
классам крупности (Кр). В общем видеуказанная зависимость может быть
выражена соотношением
Равномерность распределения минерализованной части углей в
шихте лучше всего характеризовать распределением золы по классам
крупности в виде тангенса угла наклона аппроксимирующей прямой
(d2)
где А/ — содержание золы в / — том классе шихты; х, - средний
диаметр /-того класса, мм; п - количество классов. Этот показатель,
наряду с качеством исходных углей, характеризует совершенство схемы
подготовки, поэтому нет необходимости устанавливать специальный,
поправочный коэффициент.
о
«65 1967
Рис. б. I Динамика изменения уровня измельчения угольных шихт: I - на предприятии
Востока РФ ffe? Губахинско.~о КХЗ): 2 - на предприятиях Центра РФ.
1
Возможны три варианта распределения минерализованной части:
при обычных способах подготовки шихты зольность крупных классов
выше и в этом случае Кр > 0; при избирательном измельчении с
пневматической сепарацией можно перевести минерализованные
составляющие в мелкие классы, т.е. Кр < 0; возможен случай Кр = 0, когда
равномерность распределения не может быть улучшена из-за особен-
особенностей качества углей (однородный петрографический состав).
Наиболее благоприятным по распределению минерализованных
составляющих является Кр < 0.
Засорение шихты минерализованными составляющими (М) можно
характеризовать выходом фракции плотностью > 1,4 г/см' в классе > I мм,
поскольку, как показано (см. разд. 3.1.4), именно в такой крупности
действие минерализованных частиц наиболее вредно. Спекаемость
угольной шихты (С) проще всего характеризовать толщиной плас-
пластического слоя.
Область оптимальных значений уровня измельчения углей в
общем виде описывается соотношением
F3)
В настоящее время по конкретным данным эта зависимость
определяется уравнением
И =
68,66+8,96—
С
3,ОбГ—
\С
0,02/^-0,03*:;] F.4)
6.2.3. Установление оптимального уровня измельчения
Отобраны и исследованы угольные шихты производственного
измельчения большинства предприятий России (табл.6.2). Шихты
существенно различаются по спекаемости. но, особенно, по содержанию
минерализованных частиц в крупных классах и коэффициентам Кр.
Содержание фракции > 1,4 г/см' в шихтах колеблется от 6 до 17%.
Наибольшей чистотой характеризуется шихта КарМК, очень сильно
засорены минерализованными частицами шихты ОХМК и ММК. Хоро-
Шее распределение минерализованной части по классам имеет шихта
Кемеровского КХЗ, очень высок коэффициенту шихты КМК.
/ 76 ft П/ныюение у/к/кк/пманспш суи/естаунщен mexnmnnm наЛютаюы « ктхпышш ц-.чей
Таблица 6.
Рекомендации по оптимальному измельчению угольных ши
Предприятие
(комбинат, завод)
Карагандинский
Орско-Халиловский
Кузнецкий
Западносибирский
Челябинский
Магнитогорский
Нижнетагильский
Череповецкий
Новолипецкий
Кемеровский
Уровень
измель-
измельчения ня
пред-
предприятии,
%
80
79.
80
82
69
77
76
79
77
76
Толщина
нласт-
слоя,
С, ми
14
18
18
14
18
16
16
16
16
15
Фракция
>1 4г
i/cmj в
классе >1
мм, М,%
6,4
17,0
11,5
12,9
10,6
14,2
9,7
10,8
12,0
8,4
Коэффи-
Коэффициент
равно-
мернос-
мерности,
К„%/мм
0,126
0,436
1,289
1,080
0,183
¦ 0,325
0,346
0,109
0,210
0,124
Уровень
измельчения,%
рекомен-
рекомендуемый
73,5
80,1
73,8
78,4
73,1
79,3
75,5
76,2
73,3
73,3
прове-
проверенный
-
-
78,0
-
78,8
75,3
74,9
-
73,6 |
6.3. Повышение м/кректшиюс/ми нсцмыьлмання тпемтгг» объема кокамых печеп
177
6.3. Повышение эффективности использования
полезного объема коксовых печей
При коксовании вследствие усадки загрузки образуется значи-
значительное подсводовое пространство. Усадка, происходящая в первые 2-3 ч
(см. разд.5.3.2), составляет -60% общей усадки загрузки. Если в
указанный период догрузить камеру углем, по объему равным образо-
образовавшемуся пространству, то до окончания коксования догружаемый
уголь может успеть полностью прококсоваться. Вместе с тем, снизится
температура подсводового пространства и увеличится выход смолы,
фенолов и сырого бензола [171]. Эффективность возрастет, если
догружаемый уголь обрабатывать добавками, катализирующими процесс
вторичного пиролиза в указанном направлении.
Испытания выполнены на коксовой батарее ПК-2К с объемом
камер 2!,6 м' на производственных угольных шихтах (табл 6.3) [172].
Усадка уплотнения за 3 ч после загрузки составила 200-320 мм (рис. 6.2).
Температура в коксовом пироге на уровне 3,5 м от пода камеры через 3 ч
после загрузки составила 600°С. Загрузка производилась через средний
люк "на планирование".
Таблица 6.3
Характеристика угольных шихт НТМК
№
1
2
3
4
Состав шихты,%
ЮК14
37
32
43
44
1Ж26
30
30
28
28
KI0
18
19
15
II
Гб
15
19
14
17
Плотность
насыпной
массы, кг/м'*
740
750
771
744
Влажность,
%
6;2
6,2
7,8
8,2
Выход
летучих
веществ
Vd,% .
25,1
25М
25,3
24,6
Уровень
шмель-
чсннн,%
класса
<3 мм
86,2
87,8
82,6
87,4
Получены следующие усредненные результаты. Количество
догруженной шихты 0,650 т; высота подсводового пространства, мм:
после загрузки - 300, после догрузки - 270, перед выдачей - 530;
температура подсводового пространства,°С: средняя по батарее 885,
после догрузки в опытных камерах 846; температура кладки стен в зоне
подсводового пространства, °С: до загрузки 840, после догрузки 680;
температура в осевой плоскости коксового пирога на уровне 3,5 м от
пода,°С: перед догрузкой 570, через I час после догрузки 640, перед
выдачей кокса 930. Температура стен камеры в зоне подсводового
пространства через I ч после догрузки достигла обычного уровня. Слой
500-
L
"I 1 Г
2 4 6 8 10 12 14
Период коксования, ч
Рис. 6.2 Динамика усадки шихт НТМК (состав см. в таблице 6.3).
178
кит сучестшуюч/ей чкжшчптп падгвтиш в ктхяюяпв у.-м
кокса из догруженной шихты к концу коксования имел достаточн
хорошую готовность (930°С). Выдача кокса производилась
затруднений.
Догрузка печей некоксующимся углем, наряду с положительны
влиянием на температуру подсводового пространства, может служить
дополнительным источником получения мелких фракций кокса,
пригодных для использования в агломерационном и электротермических
производствах. Так, если взять для догрузки уголь марки СС крупностью
< 50 мм, то из него получается около 80% кокса, который можно
использовать в качестве углеродистого восстановителя в электро-
электротермических производствах [173,174].
6.4. Влияние повышенных температур коксования на
качество кокса и химических продуктов
Работа проведена на коксовых батареях ПК-2К и ПВР [257,258].
Температуры обогрева были повышены в среднем на 30-35°С, что
привело к значительному росту температур в осевой плоскости коксового
пирога (табл.6.4). Максимальные температуры отмечались на уровне 2,1
м от пода камеры. Прогрев по высоте оставался равномерным. На
опытном режиме готовность кокса такая же, как на контрольном
достигается на 12-м ч коксования. Скорость повышения температуры до
1000°С на опытном режиме выше, чем на контрольном, но при нагреве до»
П90°С - существенно снижается (табл.6.5). То есть повышение
температуры обогрева приводит к росту скорости коксования только на
основной стадии процесса. При увеличении скорости коксования на
одинаковом периоде снизилась крупность кокса: содержание класса > 60
мм уменьшилось от 63,3 до 59,5%. Улучшились показатели прочности
особенно по истираемости.
Сокращение периода коксования на высокотемпературном режи-
режиме на 2 ч приводит к некоторому снижению прочности кокса (табл.6.6).
Отмеченное может быть объяснено тем, что при повышенных скоростях
возрастает жесткость структуры кокса, но растут также градиенты
температур и усадки, что способствует повышению внутренних напря-
напряжений. Уменьшение периода коксования и конечных температур
приводит к меньшей их реализации к моменту выдачи кокса. Поэтому
при испытании в колосниковом барабане часть остатка переходит в класс
> 25 мм пропала.
Возможность повышения скорости и конечной температуры
коксования проверяли на коксовых батареях №№ 11,12 системы ПВР
шириной камер 407 мм и №№ 13,14 ПВР-61 с шириной камер 450 мм н
Магнитогорском меткомбинате (табл. 6.7).
6.4- H'lUMittte повышенных температур коксананш на качесяюп кокса и хилтческчх п
179
Таблица 6.4
Режимы коксования и качество кокса
Показатели
1. Условия коксования
Период коксования, ч-мин
Температура в контрольных отопи-
отопительных каналах, °С:
машинная сторона
коксовая сторона
Конечная темпера!ура по оси коксо-
коксового пирога (средняя по люкам), °С на
расстоянии от пода камеры, м:
0,6
2,1
2,7
3,2
3,5
Средневзвешенная температура, °С
2. Качество кокса
Технический анализ,%: W
А"
Гранулометрический состав, %:
классы, мм: > 80
80-60
60-40
40-25
<25
Прочность:
по большому барабану, кг: остаток
класс < 10 мм в провале
по малому барабану, %: М40
МЮ
Режим коксовании
производственный
14-30
1299
1354
977
1043
1068
1053
9Я9
1020
2,6
IL9
27,0
36,3
30,5
4,3
1,9
312
48
68,2
10,3
высокотемпературный
14-30
1329
1390
1197
1215
1204
1139
1190
1190
3,3
12,0
21,7
37,8
33,5
4,9
2,1
313
46
67,4
9,6
Таблица 6.5
Скорость повышения температуры в загрузке, °С/мин
1
Уровень от под»
печной камеры,м
. __ 0,6
2,1
3,2
Режим коксования
опытный
до Ю00°С
3,37
3,98
2,48
выше 10004'
2,44
1,54
0,97
контрольный
2,68
2,98
2,19
180
6. Птытмнме эффективности существуызлцчй технологии нпйлтимки и коксования углей
С. 4. Влияние нтышеннмх температур кокамсигмя на качеспит кокса н хилтческнх
181
Таблица 6.6
Условия коксования и качество кокса на производственном и
сокращенном периодах
Показатели
1. Режим коксования
Период коксования, ч-мин
Конечная температура коксового
пирога, °С
Скорость коксонания, мм/ч
2, Качестио кокса
Гранулометрический состав, %:
Классы, мм: > 80
80-60
60-40
40-25
<25
Прочность
по большому барабану, кг:
остаток
классы в провале,мм
>25
< 10
по малому барабану, %:
М40
М25
МЮ
Режим коксования
производственный
14-30
1020
28,2
27,4
40,4
27,2
3,6
1,4
312
38
48
70,5
86,3
9,4
высокотемпературный
12-40
1000
32,3
18,8
39,7
32,9
5,9
2,9
J
А
307 Щ
I
43 Ж
46 II
65,0 €|
84,5 Щ
10,8
Изменение температуры обогрева, в указанных пределах, на
каждый градус приводит к изменению температуры в осевой плоскости
коксового пирога на 4°С в камерах шириной 407 и на 3СС в камерах 450
мм, т.е. с увеличением ширины возрастает термическое сопротивление
коксуемого слоя. Вместе с тем, повышение температуры обогрев-
ширококамерных батарей привело к ухудшению прогрева коксового
пирога по высоте: максимальные температуры зафиксированы на уровне
3,7 м. Средняя разность температур между уровнями 0,6 и 3,7 м составила
112°С, против 42"С на производственном режиме. Температура
подсводового пространства возросла на S0°C.
В условиях форсированного режима повышение скорости
коксования не привело к изменению гранулометрического состава кокса
Прочность по остатку в большом барабане уменьшилась, и, соот-
соответственно, возросло количество класса > 25 мм в провале. По остальным
показателям существенных изменений не произошло.
Таблица 6.7
Работа коксовых батарей и качество кокса на разных режимах
Показатели
|. Условия коксования
Период, ч-мин
Температура обогрева, °С
машинная сторона
коксовая сторона
Конечная температура
коксования (средняя), °С
Температура подсводового
пространства, °С
2. Качество кокса
Гранулометрический
состав(%) по классам, мм:
>80
80-60
60-40
40-25
<25
Средний размер кусков, мм
Прочность:
по большому барабану, кг:
остаток
класс < 10 мм
по малому барабану, %:
М25
__ М10
Режим коксовании
п ронзводствен и ы й
ПВР-51
13-47
1317
1369
963
836
6,6
31,6
45,8
11,1
4,9
46,0
320
34
87,8
8,4
ПВР-60
16-35
1312
1361
1004
886
14,3
41,2
5,2
2,2
55,0
321
35
88,0
8,8
высокотемпературный
ПВР-51
13-45
1346
1399
1081
872
4,3
27,4
51,8
12,2
4,3
45,6
315
32
87,7
7,5
ПВР-60
16-32
1338
1388
1088
967
14,1
41,6
35,4
6,4
2,5
54,2
318
34
87,7
8,4
С увеличением температур обогрева ухудшилось качество
химических продуктов. Смола газосборника имела более высокие
плотности A,215-1,221 против 1,200-1,203 г/см3) и содержание веществ
нерастворимых в толуоле (на 2,36 % в смоле батарей ПВР-51 и на 3,48 % в
смоле ширококамерных батарей ПВР-60), меньшее содержание фенолов
(на |%). Возрастает выход пека и смолы, но он не удовлетворяет
182
6. Птытение ъ^феклиюик/ни сущеспшунпцеЬ mexuautcuti пгхХ'опннам и кЛксппания yc.ieh
6.5. Оптиитацня пшмие/шту/тогорежима коксе»
183
требованиям стандарта. Содержание толуола в сыром бензоле умень-
уменьшилось на ~ 1,5%.
6.5. Оптимизация температурного режима коксования
Работа выполнена на коксовых батареях ПК-2К НТМК при
постоянном периоде коксования A4,3 ч) в широком диапазоне изменения
температур обогрева с достижением критических температур в осевой
плоскости коксового пирога (до 1250°С) [137]. Угольная шихта имела
следующую характеристику: состав, %: Г - 15; Ж - 26; КЖ - 23; К + К2-
36; выход летучих веществ 26%; зольность 9,1 %; толщина пластического
слоя 16 мм. Измельчение шихты -85% класса <3мм.
С повышением температуры отмечены следующие общие зак
номерности (табл.6.8, рис.6.3-6.5).
Возрастает разница в температурах между уровнями 0,6 и 3,5'
(см.рис.6.3). Так, если при средневзвешенной температуре кокса 940°
средняя разность температур по всем трем люкам составила всего 4°С, i
при 1010 и Ю65°С она увеличилась до 35-40°С, при 1090°С - до 80°С, i
при 1230°С достигла 140°С.
С увеличением температуры коксового пирога растет вероятность
местного перегрева в зонах загрузки с низкой плотностью: нижняя часть
объемов между загрузочными люками, а также между загрузочным
люком с коксовой стороны и дверью [126]. Специальными опытами
установлено, что средневзвешенная температура в осевой плоскости
7
77
777
IV
900 1000 900 1000 1000 1100 1000 1100 1100 1200
Температура. °СЩ
Рис. 6.3 Распределение конечных температур по высоте осевой плоскости коксояоЛ
пирога: I - люк с м.с: 2 - средний люк: 3 - люк с к.с.
коксового пирога в пространстве между люками на 30-Ю0°С выше, чем
под люками. При чрезмерном повышении температуры происходит
эрозия поверхности динасовой кладки, образование раковин [177].
Необходимо учитывать, что при коксовании шихт из кузнецких углей
повышение конечной температуры до 1250°С и более приводит к
нарушению монолитности, '"тугому ходу:' и "забуриванию" коксового
пирога.
Растет температура в подсводовом пространстве печных камер: в
интервале готовности 940-ЮЮ°С она меняется мало, после чего
происходит резкий подъем.
Таблица 6.8
Показатели
I. Условия коксования
Температура в контрольных
отопительных каналах, °С:
машинная сторона
коксовая сторона
Средневзвешенная температура в осевой
плоскости коксового пирога, °С
Температура в подсводовом пространстве
(средняя),°С
2. Качество кокса
Технический анализ, %:
W
А"
Гранулометрический состав(%) по
классам, мм:
>80
80-60
60-40
40-25
<25
Средний размер кусков, мм
Коэффициент однородности
Прочность по малому барабану, %:
М40
MI0
Структурная прочность, %
I PfH^I I llni ..... _ .... iff.. ...._. fl
—"лимиппал HIOLUOH4X. 1 Ь А —
Этапы
1
1314
1348
940
882
2,1
12,3
30,5
45,9
19,0
2,5
2,1
71,4
4.67
66,1
9,6
85,0
0;900
2
1322
1355
1010
886
2,2
11,9
29,3
46,8
19,5
2,7
U
71,0
4,62
65,1
9,4
85,0
0,896
3
1327
1361
1065
943
2,2
11,6
28,1
46,5
20,9
2,8
!Л
70,4
4,55
63,3
9,5
86,6
0,890
4
1331
1364
1090
947
2,1
12,3
24,5
47,5
22,9
3,6
1,5
68,9
4,43
62,7
8,5
87,6
0,667
5
1352
1385
1230
1020
2,2
11,9
21,5
48,9
24,3
3,6
1,7
68,1
4.46
61,8
8,5
88,0
0,660
6. Птытепие м^фекпиишастп существующей техшкюпм подготовки и кок
184
Уменьшается крупность металлургического кокса: сниж;
содержание класса > 80 мм и средний размер кусков. Одновременно
снижается однородность кусков, характеризуемая величиной, обратной
коэффициенту вариации [178]. Прочность кокса систематически
уменьшается и практически линейно связана с его крупностью. В
пределах температур коксования 940-1065°С показатель МЮ не
изменяется, а при 1090°С снижается. Примерно так же изменяется
структурная прочность кокса. Скорость взаимодействия с СО2до Ю65°С
меняется незначительно, но с увеличением температуры происходит
резкое ее снижение. Таким образом, по показателям, характеризующим
свойства пористого тела кокса, в пределах конечных температур
Ю65-Ю90°С происходят структурные изменения, определяющие сниже-
снижение его истираемости и реакционной способности.
С..Н, СН, н
ii.5. thtimrxttuatfiix температуриага режима
;85
2,6
2.4
2,2
2,0
1,8
1.6
%
29
—
28
—
27
—
26
—
25
—
24
950 1000 1050 1100 1150 1200
Рис 6.4 Зависимость качества прямого коксового газа от конечной температурыХ
коксования: I - сшдержание Hi 2 - то же. С,„Н„: 3 - то оке, CHt: 4 - теплота сгорания.
73 -
71
69
1 65
00
63
950
1000 1050 1100 1150 1200
Рис. 6.5 Влияние конечной температуры коксования на качество химических продуктов^
I - содержание фенолов в надсмольной воде: 2 - выход пека из смолы: 3 - плотность смолыД
С повышением температуры подсводового пространства изменя-
изменяется состав коксового газа, уменьшается содержание фенолов в
надсмольной воде, увеличивается плотность смолы и выход из нее пека
(см. рис.6.5). Наибольшие изменения выхода и качества химических
продуктов происходили до резкого повышения температуры подсводо-
подсводового пространства (от 886 до 943°О, после чего они стали более ровными.
Выход и качество химических продуктов коксования зависят
также от продолжительности пиролиза парогазовых продуктов у стен и
их термической устойчивости (см. разд.5.4) [156,162]. Температура в
отопительных каналах ~ i 360° С с коксовой стороны является
критической для парогазовых продуктов коксования угольной шихты
НТМК: резко возрастает скорость "заграфичивания" кладки верхней
части печных камер, вместе с тем, парогазовые продукты получают
дополнительное количество тепла до выхода в подсводовое пространство
и, вследствие этого, их температура увеличивается.
Таким образом, для получения кокса с наиболее благоприятной
структурой необходимо достигать температуры коксования, близкой
1090°С. Для получения кондиционных химических продуктов и предот-
предотвращения чрезмерного "'заграфичивания" верхней части кладки, следует
обеспечить конечную температуру коксования ниже 1065°С, то есть в
пределах 1000-1050°С. Этот режим для коксования шихт из кузнецких
углей следует считать наиболее рациональным.
6.6. Особенности режима обогрева большегрузных
коксовых батарей системы ПВР
Разработанные на основе многолетнего опыта принципы и правила
регулирования обогрева коксовых батарей в некоторой части устарели
для современных большегрузных коксовых батарей. Не случайно с их
появлением возникают различные осложнения - обвалы концевых частей
коксового пирога, осмоление дверей, различные разрушения огнеупор-
огнеупорной кладки. В связи с этим выполнены исследования для разработки
научных основ и практических рекомендаций по повышению техноло-
технологической и эксплуатационной надежности новых коксовых батарей
[179-182].
6.6.1. Равномерность прогрева коксуемой загрузки
Режим обогрева должен обеспечивать необходимую и равно-
равномерную готовность кокса в печной камере, благоприятные условия
службы огнеупорной кладки и не вызывать эксплуатационных
затруднений. Этим требованиям, в значительной мере, отвечают
186
6. Повышение эф^/мистн/итсти существующей техишогин мхХчшмюкн и кмнсичшшяу
6.6. Особенности режима обогрева бтыиегрушых мжсавьие oamuptrk системы ПНУ
187
коксовые батареи Гигтрококса системы ПВР с боковым и нижни»
подводом отопительного газа. Вместе с тем, имеются некоторые
особенности их регулирования.
С увеличением высоты печных камер возникает необходимость
вытягивания факела горения для прогрева верхней части коксового
пирога. Наиболее простым средством является повышение степени
рециркуляции продуктов горения. Но при этом возможен перегрев!
средней и верхней частей коксового пирога, особенно между люками, гак|
как плотность загрузки здесь меньше, чем подлюками (см.разд.4.2).
Применительно к конкретным условиям производства, главным
образом в зависимости от состава и свойств угольной шихты, необходимо!
установить соответствующий режим обогрева. Такие исследования были
выполнены на коксовой батарее ПВР Магнитогорского меткомбината с
высотой печных камер 6 м, на батареях Западносибирского и Караган-
Карагандинского меткомбинатов с нижним подводом отопительного газа,
имеющих высоту камер 7 м. Характеристика шихт приведена в табл. 6.11.
Таблица 6.1
Состав и качество угольной шихт
Таблица 6.12
Прогрев коксового пирога по высоте печных камер
Показатели
Состав, %:
КЖ + К
KI0 + K2
ГЖ
Г6
Кузнецкие
Карагандинские КЖ + К
У ровен:, и !мельчепня,%класса < 3 мм .
Технический анализ,%:
W
А"
Толщина пластического слоя, мм
Предприятия |
зсмк
¦
58
32
10
100
_
80,1
8,0
7,3
26,0
15
мм к
20
19
28
5
72
28
80,5
8,3
9,0
28,3
15
КарМК J
28 |
72 ]
78,6 j
9,6 J
9,3 j
29,0 _J
16 |
При коэффициенте избытка воздуха на коксовой батарее № I MMK
1,4—1,45, с прикрытыми на 1/3 окнами рециркуляции, температуре в
контрольных отопительных каналах 1335-1380°С, отмечается достаточно
равномерный прогрев коксового пирога (табл.6.12). Разность температур
между уровнями 3 и 0,6 м, а также 3 и 4,7 м не превышает 100°С.
Показатели
Период коксования, ч
Температура в контрольных
отопительных каналах, °С
машинная сторона
коксовая сторона
Температура в коксе,°С, на
уровне от пода*, м:
1-й люк 0,6
3,0
4,7E,5)
5,8
2-й люк 0,6
3,0
4,7E,5)
5,8
3-й люк 0,6
3,0
4,7E,5)
5,8
Средняя температура по трем
люкам,°С на уровне от пода, м:
0,6
3,0
4,7E,5)
5,8
Коэффициент избытка воздуха:
машинная сторона
коксовая сторона
JVs 1 ММК
14,7
1335
1380
1020
1071
1000
-
1030
1052
930
-
1000
1100
1018
-
1017
1074
983
_
1,45
1,40
Коксовая батарея
Л'| 7 ЗСМК
14,8
1320
1360
1021
1093
1103
1030
910
1014
1043
960
953
1056
1034
951
980
1054
1045
980
1,44
1,45
JV« 7 КарМК
14,1
1335
1385
1049
1084
1059
1065
974
1021
919
915
1017
1092
972
947
1013
1065
1000
970
1,57
1,55
Такой прогрев коксового пирога можно объяснить соответст-
соответствующим распределением плотности насыпной массы загрузки в печной
камере и температур по высоте отопительных каналов. Поскольку третий
бункер углезагрузочного вагона выпускают первым в широкую часть
камеры, нижний слой загрузки уплотняется сильнее. С повышением
Уровня от пода плотность постепенно уменьшается, а в верхних слоях
снова возрастает (см.разд.4.2). Максимальная температура в отопи-
188
6. Повышение и^ткппкшастп существующей технактт шнХ-гтшвки и кпкахиишя yr.ieii
6.6. OcaiUitttiocmti режима обагрена шмншеррулшх коксовых батареи системы ПИР ¦
189
тельных каналах также отмечается в средней части на уровне ~3
Наибольшее уплотнение загрузки планирной штангой происходит под"
вторым люком, и это определило самую низкую температуру под ним на
уровне 4,7 м.
Аналогичный характер распределения температур в коксовом
пироге отмечен на коксовой батарее с камерами высотой 7 м на КарМК.
Увеличение коэффициента избытка воздуха от 1,40-1,44 до 1,55-1,57
привело к уменьшению разницы в прогреве кокса на уровнях 3 и 0,6 м в
среднем от 74 до 52°С, но одновременно увеличилась разность тем-
температур уровней 3 и 5,5 м от 9 до 65°С.
Перераспределение температур в коксовом пироге, несомненно,
является следствием снижения факела горения. Режим обогрева с
повышенным коэффициентом избытка воздуха более благоприятен для
обеспечения равномерной готовности и необходимой усадки коксового
пирога в нижней части камеры. Этот режим для шихты КарМК следует
считать оптимальным, так как изменение степени рециркуляции или.
коэффициента избытка воздуха ведет к снижению равномерное
прогрева по высоте.
6.6.2. Рациональное распределение температур по длине
обогревательных простенков
Принятое на практике распределение температур по длине
обогревательных простенков учитывает изменение ширины печной
камеры в расчете на достижение равной конечной температуры в осевой
плоскости коксового пирога. Однако условия коксования существенно
разнятся, что ведет к различиям в качестве кокса подлине печной камеры.
Из анализа изменения прочности пористого тела кокса (струк-
(структурная прочность) по длине полномерных кусков (табл.6.13) следует, что
в камере шириной 500 мм слой кокса в осевой плоскости характеризуется
меньшей структурной прочностью G0,7%), чем в камере шириной 400 мм
G4,7%). Испытания кокса из печных камер объемом 41,6 м на
Авдеевском коксохимическом заводе показали, что в камере с коксовой
стороны кокс получается менее прочным, чем с машинной ( по М40 на
1,7%, по структурной прочности на 3,8%) и более пористым (на 1,5%)
[184].
По той же методике отбирали и опробовали кокс машинной и
коксовой сторон из печных камер объемом 41,6 mj на Магнитогорском
меткомбинате (табл.6.14). С коксовой стороны кокс и здесь получился
менее прочным: по М40 на 0,3 и М10 на 1%. При равной конечной
температуре это можно объяснить меньшей степенью завершенности
формирования его структуры и меньшей равномерностью грануло-
гранулометрического состава.
Таблица 6.13
Слой кокса*
1
2
3
4
5
6
Структурная прочность кокса (%)
при ширине печной камеры, мм
500
86,8
85,7
83,3
78,5
75,7 .
70,7
400
87,3
84,7
78,6
74,7
_
-
'Толщина каждого слоя 40 мм: номера слоев от стены камеры.
Примечание: температура стены I Ю0°С. в центре коксового пирога 900°С: коксовали
уголь КЖ.
Таблица 6.14
Показатели прочности кокса,%
Проба кокса
1
2
3
Среднее
машинная сторона
М40
68,8
69,8
79,6
81,4
74,2
75,6
74,9
МЮ
7,8
7,8
8,0
7,6
6,4
8,0
7,6
коксовая сторона
V140
69,2
74,6
77,8
78.8
73,8
73,6
74,6
МЮ
9,6
9,8
8,2
8,0
8,2
7,6
8,6
Примечание. Пробы кокса отбирали вручную ю трех печных камер. Прочностные
характеристики определят в двух параллельных пробах.
В более широкой части печной камеры возрастают тепловые
сопротивления тем в большей мере, чем дальше находится элемент
загрузки от греющей стенки. В результате наиболее отдаленный
внутренний слой загрузки нагревается с меньшей скоростью, что снижает
текучесть и ухудшает спекаемость шихты в этом слое. "Приосевые" слои
загрузки находятся при высоких температурах (>900°С) меньшее время
по сравнению со слоями узкой части камеры, что препятствует
завершению и выравниванию термохимических преобразований, снятию
внутренних напряжений за счет их релаксации. Таким образом, для
получения более прочного кускового кокса следует учитывать наличие
обратного соотношения между шириной камеры и температурами
обогрева и в осевой плоскости: чем шире камера, тем выше должны быть
эти температуры.
190
6. П/мыншиис ¦лффектштоспт сучцествуммцеа техно.шпш подготовки и каксоваимя углей
6.6. Особенности режима Ыюграяа оо.читигрумыж коксовых батарей системы ПНР
191
Проверка этого предположения осуществлена на коксовых!
батареях №№ 7 и 8 Магнитогорского меткомбината (объем печных камер!
41,6 mj; ширина: с машинной стороны 385, с коксовой стороны 435 мм).|
На принятом здесь обороте печей скорость коксования по длине камеры
менялась от 26 до 30 мм/ч с машинной стороны к коксовой. Распре-
Распределение температур по длине обогревательных простенков позволяло
получить равные конечные температуры по длине коксового пирога.
Коксовые батареи №№ 7 и 8 одинаковы по конструкции, имеют!
практически одинаковый возраст и хорошее состояние огнеупорной!
кладки стен камер. До проведения эксперимента обе они работали на
одном теплотехническом режиме. Угольная башня общая, что позволяет
достаточно корректно сравнивать кокс, полученный за один и тот же
период времени и не учитывать колебания в качестве и марочном составе(
угольной шихты.
взвешенная температура коксового пирога на производственном и
опытном режимах была практически одинакова.
Таблица 6,15
Состав шихты,%:
К
ж
ЮК
Г17
Технический анализ, %:
W,
А"
Пластометрические
показатели, мм: У
X
Уровень измельчения, класс
< 3 мм,%
1-базовый период
55
15
17
13
8,5
8,4
28,7
18,6
32,8
78,7
2-олытиын период
53
19
16
12
8,7
27,0
17,9
34,8
79,0
На батарее № 8 установили опытный температурный режим, I
позволяющий поднять температуру готовности кокса с коксовой стороны I
на 20-30°С, а с машинной стороны - понизить на такую же величину. Для
этого произвели перераспределение подачи коксового газа по длине!
отопительных простенков. Температуры по контрольным отопительным!
каналам были заданы с коксовой стороны 1350, с машинной стороны!
1310°С. Фактические данные по режиму работы обеих батарей |
представлены в табл. 6.15.
Измерения температур в осевой плоскости коксового пирога!
показали увеличение конечной температуры коксования с машинной!
стороны к коксовой на опытном температурном режиме и примерно!
равную конечную температуру на производственном режиме. Средне-!
Показатели
Температура в контрольных
отопительных каналах, "С:
машинная сторона
коксовая сторона
Коэффициент избытка воздуха:
машинная сторона
коксовая сторона
Период коксования,ч
Коэффициент равномерности выдачи Ко
Средневзвешенная температура в осевой
плоскости коксового пирога,°С :
люки: 1
2
3
средняя
Прочность по ГОСТ 5953-81, %:
М40
М10
Технический анализ, %:
wr,
А"
ydaf
Батарея № 7
1
1309
1349
1,45
1,45
14,8
1,00
-
-
-
76,6 ,
7,7
3,9
N,4
0,7
2
1309
1350
1,47
.1,45
14,8
1,00
1057
1070
1056
1061
76,7
7,9
3,6
11,9
0,6
Батарея № 8
1
1309
1349
1,46
1,46
14,8
1,00
-
-
-
-
75,8
7,7
3,8
11,4
0,6
2
1306
1354
1,48
1,45
14,8
1,00
1021
1050
1080
1050 ;:
76,5
7,4
3,8
11,9
0,5
Для того, чтобы учесть индивидуальные особенности батарей,
взяли данные по режиму их работы и качеству кокса за 60 суток,
предшествующих переводу коксовой батареи № 8 на опытный темпе-
температурный режим (см. табл.6.15, I).
Различие в прочностных показателях кокса батарей №№ 7 и 8
составило:
-Я7
где Д/7- разница в показателях; Пц, Пу - показатель прочности
кокса коксовых батарей соответственно №№ 7 и 8.
192
6. П'Ш
сущчстнующей тахноттт иаАлмтвки и киксования углей
6. 7. 1)пти.\пиацчя работы установок сухого myttieimn кокса
193
ДЛ/40 = 75,8 - 76,6 = -0,8%; AM 10 = 7,7-7,7 = 0%.
Аналогично обработали данные за опытный период F0 сут.):
ДА/40 = 76,5 - 76,7 = -0,2%;
ДА/10 = 7,4-7,9 =-0,5%.
Таким образом в результате перевода коксовой батареи № 8 на|
опытный температурный режим качество кокса по показателям малого
барабана улучшилось: по М40 на 0,6%, по /V/I0 на 0,5%. Повышение
прочности кокса явилось результатом выравнивания скорости прогрева
коксуемой загрузки по длине камеры; это позволило достичь рав-
равномерной ее спекаемости и реальной готовности (стабилизации
структуры) кокса.
6.7. Оптимизация работы установок сухого тушения
кокса
На Орско-Халиловском металлургическом комбинате выполнено
комплексное исследование процесса сухого тушения кокса с целью:
оптимизации технологических, экономических и экологических показа-1
телей работы установки сухого тушения кокса (УСТК).
Испытания проведены на трех режимах работы камер: 36,0-38,5;
44,0-47,8 и 52,0-54,0 т/ч, что, соответственно, составляет 70-74, 85-92 и
100-104 % от проектной производительности. В период испытания
коксохимическое производство ОХМК работало на угольной шихте, %:
1Ж26-25; КЖ-40; К2-35. При периоде коксования 14,5 ч температуры
обогрева поддерживались на уровне 1306-1340°С. Гидравлический
режим работы УСТК: давление под сводом камеры выдерживания 0 ± 50
Па. При этом содержание кислорода в газе не превышало 1%.
Можно отметить характерные особенности изменения свойств и
структуры кокса в зависимости от производительности камеры УСТК
(табл.6.16).
Прочность кокса во всех случаях имеет высокие показатели и. тем
не менее, наблюдается определенная тенденция к некоторому увеличе-
увеличению дробимости и, особенно, истираемости кокса с повышением скорос-
скорости тушения. Тенденция эта вполне логична ( см. разд. 3.5). Увеличение
производительности камер сопровождается уменьшением времени изо-
термичсеской выдержки и повышением скорости охлаждения, что дол-
должно сдерживать структурно-молекулярные преобразования кокса и
релаксацию напряжений. Наиболее четко это проявилось при значи-
значительном увеличении производительности (от 37 до 47 т/ч) и в меньшей
мере при последующем - от 47 до 52 т/ч.
Таблица б. 16
Показатели
Гранулометрический состав метал-
металлургического кокса(%), классы, мм;
>80
80-60
60-40
40-25
<25
Прочность по ГОСТ 5953-81, %:
М25
М!0
Структурная прочность,%
Реакционная способность, мл/г с
Удельное электросопротивление,
оммм2/м
Модуль упругости, МПа
Предел прочности, МПа:
на разрыв /а /
на сжатие /а /
Кажущаяся плотность, г/см'
Производительность, т/ч
37,0
13,0
40,7
38,7
3,8
3,8
88,8
6,4
86,2
0,47
1081
1314
4,7
15,0
0,93
46,6
14,9
40,9
37,1
3,8
3,3
88,4
6,8
85,4
0,47
1224
1357
4,7
13,8
0,92
52,6
18,1
39,5
.35,4
3,6
3,4
88,4
6,9
81,6
0,47
1281
1231
4,4
11,7
0,91
Направленность изменения физико-химических свойств с
повышением скорости тушения согласуется по показателям, характери-
характеризующим его структуру. Отмечается снижение структурной прочности,
ухудшение упруго-прочностных свойств, увеличение электросопро-
электросопротивления. Однако реакционная способность оказалась во всех случаях
одинаковой.
Несколько неожиданными oi•.; :!лись данные по влиянию
производительности на качество основных классов кокса (табл.6.17,
618). Кокс>60 мм характеризуется боле плотной и прочной структурой,
имеет меньшую реакционную способность и удельное электросопро-
электросопротивление, в сравнении с коксом крупностью 60-40 мм. Совершенно
своеобразно изменение свойств по длине кусков кокса: средняя часть
имеет более плотную, прочную и упругую структуру, в сравнении с
Другими частями.
194
Л. 7. Оптылмхн/ия работы устаттак сухи?» тушешш коклм
195
Таблица 6.17
Упруго-прочностные свойства различных зон кусков кокса сухого
тушения крупностью >60 мм
Зона куска кокса
Модуль упругости, Е,
МПа
Предел прочности, МПа:
на разрыв |о(,|
на сжатие |в€.| ¦
Кажущаяся плотность
штуфов кокса, г/см1
средняя
1441
4,9
18,4
0,97
Производительность кяме
J7.0
приосевая
1369
4,7
14,1
0,94
46,6
средняя
1346
5,0
16,0
0,95
приосевая
1132
4,5
12,9
0,88
ры, т/ч
средняя
1422
4,6
12,2
0,95
—
52,6
приосевая
1212
4,4
9,9
0,87
I
Таблица б. 18
Сравнительная характеристика классов крупности кокса при разной
производительности камер УСТК
Показатели
Класс крупности,мм
Структурная прочность,%
Реакционная способность,
мл/г с
Удельное электросопротив
ление, ommmVm
Модуль упругости, Е, МПа
Предел прочности, МПа:
на разрыв \esf\
на сжатие |dj
Кажущаяся плотность
штуфов кокса, г/см'
>60
85,6
0,43
1115
1405
4,8
16,3
0,95
Производительность камеры, т/ч
37,0
60-40
87,0
0,46
1214
1189
4,5
13,2
0,91
>60
84,3
0,44
1218
1239
4,7
14,4
0,91
46,6
60-40
87,0
0,51
1232
1286
4,7
12,9
0,93
>60
79,5
0,41
1185
1317
4,5
11,1
0,91
52,6
60-40
84,9 }
0,57 1
1235 j
1091 1
4,2
12,6
0,91
Полученные данные позволяют по-новому оценить процессы,
происходящие в камере УСТК. Имеет место и сказывается сегрегация
кокса в камере, возможно более быстрое прохождение по центральной
части шахты класса 60-40 мм и, как следствие, меньшая глубина
структурных преобразований. Возможен повышенный его угар и опре-
определенное "разрыхление" структуры. Воздействием угара кокса может
быть объяснено также различие свойств по длине кусков кокса.
Найденные закономерности могут быть использованы для уста-
установления количественных зависимостей между продолжительностью
тушения и выдержки в форкамере как фактора оптимизации режима
работы УСТК и качества металлургического кокса.
6.8. Оптимизация технологического режима коксовой
батареи в комплексе с УСТК
Отличительной особенностью коксовой батареи №7 Западно-
Западносибирского меткомбината с объемом камер 41,6 mj- первой в этой новой
серии печей Гипрококса, был низкий уровень перевала продуктов
сгорания отопительного газа - 1300 мм от свода камеры, вследствие чего
затруднен прогрев верхней части угольной загрузки.
Диапазон изменения условий коксования был значительным
(табл. 6,19): период коксования от 13,5 до 14,5 ч; соответственно,
температуры обогрева изменялись от предельно допустимых A410°С с
коксовой стороны) до умеренных, на которых работают многие коксовые
батареи с простенками из обычного динаса (~1380°С). Основными
факторами улучшения прогрева верха коксового пирога служили:
повышение уровня измельчения угольной шихты до -80% класса <3 мм,
снижение плотности угольной загрузки в верхней части камеры,
повышение степени рециркуляции продуктов горения, увеличение
периода коксования.
Из всех испытанных, наименее приемлемым является форсиро-
форсированный режим 1, при котором допускался значительный перегрев
коксового пирога: средневзвешенная температура составляла 1129°С, а в
отдельных его частях намного превышала предельно допустимую
Форсированный режим 2 мало отличается от предыдущего,
однако, вследствие повышения степени рециркуляции продуктов горе-
горения, распределение тепла несколько улучшилось и разность температур в
основной массе коксового пирога уменьшилась.
Режим 3 соответствует устанавливаемым на обычных коксовых
батареях. В этих условиях удалось достипл ;;¦ максимальной равномер-
равномерности прогрева в основной массе коксотч i пирога, но не была
обеспечена достаточная готовность на уровне S,8 м. Причиной послу-
послужило переуплотнение верхней части загрузки планирной штангой.
Режим 4 практически не отличается от предыдущего, но было
Уменьшено уплотнение верхней части загрузки и этим существенно
Улучшен прогрев коксового пирога: от уровня 5 м и выше температура
снижается более плавно.
196
6. Повыше/те м/м/мнл/ивносят существующей inexnaiartiu подготгмисн и ткакшиия углей
Таблица 6,19
Результаты работы коксовой батареи на разных режимах
6.Я. Оптимизация техиолигичеукага режима кчжсхмюй батареи в кпшиексе с У< "Л/С
197
Показатели
Влажность угольной шихты, %
Уровень измельчения, % класса
< 3 мм
Насыпная масса в камере,т/м'
Высота подсводового '
пространства, мм
Разовая загрузка шихты, т
Период коксования, ч
Температура в контрольных
отопительных каналах,"С:
машинная сторона
коксовая сторона
Температуры в коксе,°С на
уровне от пода камеры, м:
0,6
3,0
5,0
5.5
5,8
Средневзвешенная
температура,°С
Прочность кокса:
по большому барабану, кг;
остаток
класс < 10 мм
по малому барабану, %:
M2S
МЮ
Гранулометрический состав(%)
по классам, мм:
>80
80-60
60-40
40-25
<25
Чтяпы
1
7,7
80,1
0,721
274
30,14
13,53
1368
1409
1094
1178
1158
1011
897
1129
330
38
90,7
7,1
7,7
39,2
43,8
7,3
2,0
2
7,8
79,2
0,726
249
30,46
13,53
1363
1408
1060
1120
1104
940
838
1078
330
39
89,5
7,0
6,9
32.5
49,4
8,6
2,6
3
7,6
80,1
.
278
30,33
14,50
' 1337
1381
1096
1102
1087
946
846
1079
330
38
88,8
6,9
9,1
35,6
45,8
6,8
1,8
4
7,8
80,7
0,720
268
30,13
14,52
1340
1380
1090
1095
1060
993
942
1075
330
37
90,0
6,7
6,6
33,8
49,8
8,1
1,7
5
7,8
80,1 i
а
311 1
29,98 }
14,00 \
\
1348 -1
1390
1051 ]
1065 )
1087 j
927
901
1043 1
!
328 ;
>
38 *
!
89,5 !
7,2 J
;
7,8 |
3<u i
48,5
8,0
Представляет интерес режим 5: период коксования '14 ч,
температура обогрева в сравнении с предыдущим этапом была повышена
на Ю°С, несколько уменьшен уровень загрузки. При этом обеспечена
достаточная готовность кокса по средневзвешенной температуре в осе-
осевой плоскости коксового пирога A043° С). Равномерность прогрева
основной его массы от пода до уровня 5 м практически не изменилась. То
есть существенных изменений в равномерности прогрева коксового
пирога не произошло.
Получаемый на всех этапах кокс отличался хорошим качеством. В
изученном диапазоне режим работы коксовой батареи практически не
отразился на качестве кокса. Этому, в значительной мере, способствует
сухое тушение, при котором сглаживаются дефекты прогрева коксового
пирога.
6.9. Влияние нарушений режима обогрева печей на
условия коксования и качество кокса
Возникновение и распространение различных дефектов кладки,
особенно связанных с отопительной системой, приводит, как правило, к
нарушению обогрева, условий коксования, что, в конечном счете,
отражается на состоянии эксплуатации коксовых печей и качестве кокса
[185-189].
К наиболее значительным дефектам кладки следует отнести
деформации стен камер, вследствие чего Изменяется их ширина, являю-
являющаяся технологическим параметром; плохо работающие или неработаю-
неработающие отопительные каналы; смещения отдельных узлов кладки,
препятствующие нормальной загрузке камер и выдаче из них кокса.
Неправильно выбранный режим крайних отопительных каналов способ-
способствует ускоренному возникновению дефектов и влияет на качество кокса
[179,180,190].
В неработающих отопительных каналах температура снижается на
25О-ЗОО°С [191]. Скомпенсировать подачу недостающего количества
тепла через соседние отопительные каналы и смежные простенки не
Удается. Поэтому общий объем загрузки с нарушенными условиями
обогрева может достигать 20-25%. В связи с этим, необходимо изучить
влияние отдельных нарушений обогрева на условия коксования и
качество кокса, определить рациональные температуры, обеспечива-
обеспечивающие завершение процесса коксования, в том числе в зоне крайних
отопительных каналов.
В промышленных условиях выполнить такие исследования
затруднительно. Зная размеры отклонений режима в промышленных
Условиях, их можно воспроизвести в полузаводских печах. Такая работа
198
ti. Повышение х/к/шктшшоспт сущсспмуницеп mexiiativttti
к и щксопнтяyr.-ieb
была проведена в прлузаводской динасовой печи с шириной камеры
450м. Коксованию подвергали угольную шихту состава, %: Ж - 22,8;
Г!7- 16,0; КЖ14 - 5,7; К - 43; К2 - 12,5. Уровень измельчения 76-78%
класса < 3 мм. Технический анализ, %: W'- 8,0; AJ - 9,2; Vе1 - 27,2.
Толщина пластического слоя 17 мм.
Реализовано 10 режимов на периоде коксования 17 ч, каждый из
которых соответствует либо определенным условиям обогрева в
промышленных печах, либо его нарушениям. На каждом режиме в
загрузку устанавливали хромель-алюмелевые термопары в фиксиро-
фиксированном положении, исключающем искажение тепловых потоков. На рис.
6,6 и 6,7 приведены изохроны температур в загрузке двух наиболее
характерных режимов коксования.
При равных температурах в отопительных простенках A360°С)
отмечается практически симметричное температурное поле. Такие же
поля получены на режимах с одинаковыми пониженными температурами
в обоих простенках.
В случае резкого, на 300°С, снижения температуры в одном
простенке, что, примерно, соответствует неработающему отопительному
каналу в промышленных условиях, картина температурного поля
меняется (см.рис.6.7). Минимальные значения температур смещаются в
осевой плоскости к стенке с меньшим нагревом на 50 мм. То есть в одной
части коксование идет как в камере шириной 550 мм. По мере удаления
пластического слоя от стенки, тепловое сопротивление загрузки растет и,
при данном уровне температур и времени, нет возможности скомпен-
скомпенсировать недостающее количество тепла. В конце периода коксования!
температура в осевой плоскости коксового пирога достигает 870°С, а|
минимальная, в зоне смыкания пластических слоев, 825°С. При!
указанных условиях обогрева для достижения нормальной готовности|
кокса потребуется дополнительно ~ 5 ч.
Аналогичные температурные поля, в разной степени искаженные в
зависимости от разницы температур в отопительных простенках, полу-
получены на других режимах. Для оценки выбраны известные, а также новые
критерии, которые достаточно четко их разграничивают [192-194].
Расчет большинства критериев производится по результатам
измерения температур в осевой плоскости загрузки и у стен камер в
местах предположительной корректировки режима. На основе замеров
можно определить:
т., - продолжительность коксования до достижения температуры
по оси загрузки 425°С (условная средняя температура пластического
слоя), ч;
D - показатель средне-массовой температуры - отношение
1 количества аккумулированного загрузкой тепла за весь период
6.9. Илшиаю нарушений /миачсиа /тмгрева печей на условия коксования и качество кокса
199
коксования к теплу, аккумулированному за период до достижения
температуры пластического слоя 425°С;
V, - средняя скорость коксования от загрузки до средней
температуры пластического слоя, °С/ч;
V2 - средняя скорость коксования от загрузки печи до выдачи
кокса, °С/ч;
Un - относительное изменение скорости коксования;
950 -
850 -
250 300 350 400
Ширина камеры коксования, мм
'"с. б.б Изменение температуры по ширине печной камеры при температуре в
обогревательных простенках И50°С: 1-17 - .июхроны температур соответствуют
времени коксования 1.2.3... 17 ч.
200
6. Птышекне ¦м/и/н'ктнииастн существующей пшхшктгни ппАятювки и кдксовштяyr.iefi
6.'J. H.'niHtmt- нарушений режима ог'юг/м-ва печей на ус:ювнм коксч маним н качество кикса
201
л-средний коэффициент температуропроводности загрузки, м7ч.
В табл. 6.20 приведены результаты исследования температурных
полей в загрузке в процессе коксования.
Температура обогрева в простенках ниже 1100°С совершенно
недопустима, так как в осевой плоскости загрузки в конце коксования
еще не начинается переход шихты в пластическое состояние (режимы 4 и
50
100
150 200
250 300 350 400
Ширина камеры коксования, мм
Рис. 6.7 Изменение температуры по ширине печной камеры при 1050"С а левом и 1350"С в
правом обогревательных простенках: 1-17- юохроны температур соответствуют1
времени коксования 1.2.3... 17 ч.
10). Очень низка готовность кокса при температурах обогрева 1150°С
(режимы 3 и 9).
Таблица 6.20
Температурные поля в коксуемой загрузке
Параметры
Температура в обогрева-
обогревательном простенке ((„), °С:
правом
левом
Температура по оси
коксового пирога в конце
коксования (/„'), "С
Продолжительность
коксования до 425°С в
центре загрузки ((,), ч
Средняя скорость
коксования до 425°С в
центре загрузки (^Д°С/ч
Средняя скорость
коксования до выдачи
кокса AЛ), °С/ч
Показатель среднемас-
совой температуры в
загрузке (D)
Относительное изменение
скорости коксования (//„)
Средний коэффициент
температуропроводности
загрузки, м2/ч
Режим
1
1350
1350
1000
11,0
39,0
59,0
1,35
0,87
42,5
2
1250
1250
960
13,3
32,0
56,0
1,30
1,19
40,5
3
1150
1150
640
16,8
25,0
37,6
1,01
1,60
26,0
4
1050
1050
260
-
15,0
-
8,9
5
1350
1250
980
12,5
34,0
57,7
1,34
'1,10
41,4
6
1350
1150
940
13,2
32,1
55,3
1,30
1,09
39,7
7
1350
1050
805
14,8
28,7
47,4
1,19
1,46
33,5
8
1250
1150
840
14,2
30,0
49,1
1,22
1,70
35,0
9
1250
1050
640
15.4
27,5
37,8
1,12
1.90
26,0
10
1150
1050
280
-
-
16,2
-
-
10,2
Между температурами в отопительных простенках (/„) и в осевой
плоскости коксового пирога (/,,) зависимость описывается уравнением:
lgtn = 5,8 \lgta -14,89
Прямолинейная зависимость имеет место между средними скорос-
скоростями коксования:
К, = 1,78^, - 5,25 (г =0,894)
Из этого уравнения следует, что средняя скорость коксования до
завершения процесса, в значительной степени, определяется скоростью
первой его стадии.
202
6. Пшыимт! хМ/ектмнаспт супцесшунщей aidxtuiitvMi ппЛ-чинпнкн и кггксшишияуг.те
Зависимость между показателями У, (и, следовательно,
среднемассовой температурой имеет вид
D=l,872/gF,- 1,557
Температуропроводность оказалась в прямой зависимости
температуры в осевой плоскости коксового пирога:
а = 0,045 /„-2,76 (г =0,937)
Из представленных данных следует, что для оценки режима
коксования необходимо применять показатели, характеризующие не
только состояние прогрева в осевой плоскости коксового пирога, но и
всей массы кокса, а также учитывающие неравномерность нагрева
загрузки из-за различия температур обогрева.
Большинство дефектов кладки ведет к перераспределению
плотности насыпной массы загрузки в печной камере. В связи с этим,
изучено раздельное (табл. 6.21) и одновременное влияние двух факторов
(табл. 6.22) на качество кокса.
При одновременном уменьшении температуры в отопительных
простенках, что ведет к снижению готовности кокса, закономерно
ухудшается его качество: повышается крупность, снижается прочность.
Снижение температуры в обоих простенках до 1150°С ведет к резкому
уменьшению выхода металлургического кокса. При температуре
обогрева 1200°С температура в центре коксового пирога составляет
700-800°С. Такой уровень готовности не может быть принят. Нормальной
для доменного кокса следует считать готовность, соответствующую
температуре не менее 900°С [195]. Эта температура соответствует
завершению, в основном, формирования прочностных свойств, что
определяет выход металлургического кокса.
Отсюда следует, что на коксовых батареях с камерами шириной
450 мм, а также с коксовой стороны батарей с шириной камер 4It) мм
снижение температуры в отопительных каналах менее 1225-!250°С
недопустимо, так как приводит к потерям металлургического кокса и
снижению его качества. Температуры обогрева в крайних отопительных
каналах необходимо устанавливать по температуре в осевой плоскости
коксового пирога против этих каналов для обеспечения готовности не
менее 900°С.
6.9. Н.-niHiuie нарушений pcJtauia ш'мк-рееа печен на уанншя коксования и качество кокса
203
Таблица 6.21
Влияние режима обогрева на качество кокса
I
I
Параметры
Температура н
обогревательных
лростенках,"С:
правом
левом
Температура в осевой
плоскости коксового
пирога, °С
Гранулометрический
состав металлургического
чокса, %:
..лассы, мм:
+80
80-60
60-40
40-25
|.'редний размер кусков,
мм
Коэффициент
равномерности
Прочность*
но малому барабану,%:
М25
М10
ю большому барабану, кг:
остаток
класс - 10 мм
'Иопроницаемость по
.'СИ.Сыскову
'!ыход металлургического
.-одета//,,
Режим
1
1350
1350
1000
18,5
42,9
28,8
9,8
67,7
4,7
86,4
10,2
.316
45
249
88,0
2
1250
1250
960
26,1
41,6
24,6
7,7
70,3
4,8
85,8
11,4
314
51
240
87,8
3
1150
1150
640
49,4
28,1
16,9
5,6
76,9
5,0
83,2
14,8
304
67
227
83,2
4
1050
1050
260
59,3
22,3
12,8
5,6
79,8
5,5
79.0
18,8
301
81
198
76.2
5
1350
1250
980
28,1
41,4
22,8
7,7
71,2
4,8
85,6
12,5
315
49
239
87,9
б
1350
1150
940
31,0
37,0
24,7
7,3
71,3
4,6
85,7
12,7
315
56
214
86,9
7
1350
1050
805
40,0
32,8
20,4
6,8
74,2
4,8
85,7
13,1
313
60
235
86,0
8
1250
1150
840
39,6
34,6
19,4
6,4
74,3
4,9
84,4
13,4
315
59
232
86,5
9
1250
1050
640
46,8
28,3
19,2
5,7
75,9
4,9
84,3
13,7
316
60
239
83,7
10
1150
1050
280
63,2
20,6
11,4
4,8
80,9
5,8
82,2
15,5
305
68
230
74,8
лонные по прочности не приведены к иромыименнылг
Более сложное влияние на выход и качество металлургического
кокса проявляется при снижении температуры в одном из простенков или
при одновременном неравном снижении температур в обоих простенках.
Снижение температуры обогрева от 1350 до 1150°С в одном простенке
наиболее сильно отражается на качестве кокса. При дальнейшем
снижении температур обогрева и ухудшении в целом качества кокса,
204
6. Повышение м^екгчшиикти существующей технологии тхУапиюкп и коксовании умей
6.9. В-тятю ыарушашш режима (юагрева ничей на условия киксования » качество кикса
205
влияние разницы температур в обогревательных простенках сказывается
меньше. Из всех рассмотренных режимов обогрева наиболее небла-
неблагоприятными являются 3, 4, 7, 9 и 10.
Таблица 6.22
Влияние плотности загрузки и режима коксования на качество кокса
Показатели
Температура в отопительных
простенках,°С:
правом
левом
Температура по оси коксового
пирога, °С
Гранулометрический состав
металлургического кокса,%
по классам, мм: +80
80-60
60^0
40-25
Средний размер кусков, мм
Коэффициент равномерности
Прочность по малому
барабану, %:
М25
МЮ
по большому барабану, кг
остаток
класс < 10 мм
Выход металлургического
кокса, %
Плотность шихты, kt/mj
760
1350
1350
1030
20,3
41,6
28,9
9.2
68,1
4,6
85,2
12,0
314
56
87,8
820
1350
1350
1000
18,5
42,9
28,8
9,8
67,7
4,7
86,4
10,2
316
45
88,0
760
1350
1250
980
•
29,0
40,8
22,8
7,4
71,3
4,7
83,0
14,4
314
60
86,0
820
1250
1350
960
27,2
42,1
22,7
8,0
71,0
4,8
84,2
12,6
316
51
87,7
765
1250
1150
860
41,1
34,6
18.6
5,7
74,8
4,9
82,8
15,0
315
62
85,3
825
1150
1250
810 1
38,2 1
34,5 1
20,2
7,1 ;
74,0
4,8
84,0
12,8
316
56 J
85,9
Таким образом, в промышленных условиях, в тех случаях, когда
имеется неработающий отопительный канал обогревательного прос-
простенка, следует дополнительно подводить тепло в соседние каналы и
повышать температуру в отопительных каналах против неработаюшего в
соседнем простенке.
На режиме обогрева, соответствующем промышленному, повы-
повышение насыпной плотности загрузки от 760 до 820 kt/mj приводит к
улучшению качества кокса, несмотря на некоторое снижение конечной
температуры (табл.6.22). Величина вертикальной усадки снижается при
этом от 6 до 4,5%.
Такой же эффект,повышения плотности загрузки отмечается при
снижении температуры в одном отопительном простенке на 100°С. Но
при снижении температуры на 200°С в одном простенке и на Ю0°С в
другом, несмотря на улучшение качества кокса, не достигается необхо-
необходимая готовность, а величина усадки в сравнении с нормальным уровнем
обогрева уменьшается до 3-3,5%.
Из представленных данных следует, что:
-при наличии отопительных каналов с температурами I 150 и 1250°С,
камера должна загружаться так, чтобы плотность шихты была мини-
минимальной. Период коксования в такой камере должен быть увеличен,
либо, если это позволяют условия загрузки, против отопительных кана-
каналов с нарушенным режимом обогрева необходимо загружать меньше
шихты;
-во всех случаях, когда имеется деформация стен, приведшая к увели-
увеличению ширины и нарушенный режим в отдельных отопительных кана-
каналах, следует снижать плотность загрузки. Это приведет к повышению
готовности коксового пирога, увеличению усадки и, тем самым, будет
способствовать предотвращению затруднений при выдаче кокса.
206
7. Новые смпстш подготовки уг.че/i к коксолалию для действующих гцннитдств
7.1. Избирательное тмс/ьччпие углей с ннекиатнческой cenapaifueii в кипящем c
207
7. Новые способы подготовки углей к
коксованию для действующих производств
Обычные способы подготовки угольной шихты измельчением по
схемам ДШ, ДК, ГДК и др. имеют общий недостаток - неблагоприятный
характер распределения угольного материала: в крупных классах
сосредоточивается труднодробимая породная, минерализованная и
дюритовая часть углей, которая отрицательно влияет на ход процессов в
основных стадиях спекания и коксообразования: повышает неодно-
неоднородность пластической массы, ее газопроницаемость, определяет
повышенные внутренние напряжения в коксуемом массиве, ослабляет
структуру кокса.
Для повышения однородности шихты требуется коренным
образом изменить характер распределения' угольного материала:
наиболее неоднородную часть углей перевести в мелкие классы, а
спекающуюся, витренизированную равномерно распределить по всем )
классам. Этим требованиям отвечают способы избирательного измель- |
чения с пневматической сепарацией по крупности и плотности углей.
Одним из основных средств повышения спекаемости угольных |
шихт является увеличение плотности загрузки. При этом растутI
жесткость и общая напряженность кокса, но, вместе с тем, в большей Щ
мере возрастает допустимое напряжение на разрыв, что способствует
улучшению его термомеханических свойств.
Применительно к существующей технологии коксового произ- ;';1
водства наиболее легко осуществимо уплотнение загрузки путем Щ
частичного брикетирования. Практически возможно внедрение на |
действующих предприятиях технологии избирательного измельчения в ||
сочетании с частичным брикетированием углей.
7.1. Избирательное измельчение углей с пневматической
сепарацией в кипящем слое
Разработка и внедрение избирательного измельчения углей с!
пневмосепарацией в кипящем слое выполнены в несколько этапов:
полузаводские испытания с определением эффективности разных схем
цикла "сепарация-измельчение"; опытно-промышленное испытание схем
избирательного измельчения с механической и пневматической сепара-
сепарацией и опытных образцов промышленных аппаратов; внедрение
двухступенчатой схемы пневмосепарации; усовершенствование основ-
основного аппарата — отдели геля с кипящим слоем (ОКС) с повышением ею
производительности и переход на одноступенчатую схему пневмо-
пневмосепарации.
7.1.1. Избирательное измельчение с двухступенчатой
пневмосепарацией (ИД ПМС-2)
Созданная чо проекту Гипрококса опытно-промышленная
установка избирательного измельчения имеет производительность по
шихте 450 т/ч, или 2,5 млн т/год, рассчитана на обеспечение 4-х коксовых
батарей общей производительностью по коксу ~ 1800 тыс. тонн в год.
Принципиальная схема установки представлена на рис.7.1 [167, 298].
Исходные угли подаются на предварительное измельчение до
55-65 % класса < Змм, а затем поступают в бункеры дозировочного
отделения. Сдозированную шихту направляют в 2 параллельно рабо-
работающих ОКС 1-й ступени сепарации, разделяют на два продукта: мелкий
и крупный. Мелкий является составной частью готовой шихты. Крупный
направляют в молотковую дробилку, где измельчают до 75-80% класса <
Змм, а затем в отделитель 2-й ступени, сепарации и также разделяют на 2
продукта: крупный и мелкий. Последний, вместе с мелким продуктом 1-й
ступени направляют в смесительное отделение и далее в угольную
башню. Крупный продукт 2-й ступени, с наиболее высокой зольностью,
вместе с крупным продуктом 1-й ступени идет на измельчение, после
чего снова возвращается в отделитель 2-й ступени. Так осуществляется
замкнутый цикл измельчения-сепарации крупного продукта. Наиболее
труднодробимая и минерализованная часть углей совершает этот цикл
многократно, пока частицы не достигнут массы, при которой скорость их
витания станет меньше скорости псевдоожижения и они смогут
выделиться из кипящего слоя в мелкий продукт.
Основным оборудованием установки избирательного измельчения
первоначально были аппараты ОКС-250 производительностью 250 т/ч,
разработанные КБА и М Гипрококса. Отделитель представляет собой
комплексный агрегат для классификации угля с системой непрерывной
загрузки исходной шихты и разгрузки мелкого и крупного продуктов,
замкнутого контура циркулирующего воздуха, систем регулирования и
управления процессом разделения (рис.7.2).
Шихта подается на распределительную решетку в зону
"раскипания" отделителя, где начинается процесс разделения. Затем она
распределяется на две параллельные решетки, с которых мелкие фракции
через "переливные" пороги удаляются в желобы мелкого продукта, а
крупные - скребковым конвейером транспортируются в желоб крупного
продукта. Разделение шихты производится с помощью воздушного
потока, нагнетаемого вентилятором, под распределительную решетку.
Циркуляция воздуха происходит в замкнутом контуре: "вентилятор-
Исходные угли
Pi/c. 7. / Cveno избирательного измельчения с двумя ступенями пневмосепароции: 1,3 - дробилки: 2 - силосы:
3.4- отделители 1 и II ступеней.
tttttttttt t
f«f. 7.2 Продольный схематический разрез Ok'C-250: I - корпус: 2 - регулируемый порог: 3- уголок поддерживающий: 4 - башмак; 5.15
воздуховоды; 6 - приводная звездочка: 7 - приводной вал: S - резиновая шторка; 9 - воздухораспределительная решетка: 10 - оборотное колесе
11 - натяжной винт: 12-натяжной вал; 13 - питатель: 14-загрузочный бункер.
210
7. Новые сподпаы тнХчтнмки y,-;iefi к кпканшнта Л:ш дейсмлукицнх п\юишх\стл
7.I. Итн/юте.чыюе ихиельчеш/е углей с пневлштнческЫг сепа/юцнеп а ктцнцем cine
211
ступени сепарации и замкнутого цикла измельчения -сепарации крупно-
части углей, эффективность избирательного измельчения возрастает.
Рассмотрим особенности формирования вещественного состава
классов крупности угольной шихты, подготовленной избирательным
измельчением и обычным способом по схеме ДШ.
Распределение угольного материала по классам крупности шихты
Испытания проводили на производственной угольной шихте,%:
Г-Н, Ж-28; К^З; К2-15. Зольность 9%, выход летучих веществ (Й*аГ)
25,2%, толщина пластического слоя 16 мм. Содержание фракции
плотностью > 1,4 г/см3-12,7%.
Наиболее опасными для образования предельных напряжений
являются крупные промпродуктовые и породные зерна. В исходной
шихте крайние классы характеризуются повышенным содержанием
породной фракции плотностью > 1,8 г/см': 3,8% в классе <0,25 мм и 4,1%
в классе > 6 мм. Это обусловлено распределением вещественного состава
по классам компонентов шихты.
При подготовке шихты по схеме ДШ с пов-ышением уровня
измельчения, снижается содержание крупных классов. Но при этом в
средних и мелких классах количество породных частиц выравнивается, а
в крупных, наоборот, возрастает. Последнее объясняется их меньшей
дробимостью в сравнении с чистым угольным материалом. Даже при
очень высоком уровне обычного измельчения, породную часть
невозможно перевести в мелкие классы, и она всегда будет находиться в
наиболее крупных классах.
Совершенно иначе формируется вещественный состав при
подготовке шихты способом ИД ПМС. Крупные продукты I и 2-й.
ступеней сепарации являются промежуточными, они поступают в
замкнутый цикл измельчения-сепарации и имеют повышенное содер-
содержание породной фракции, по сравнению с исходной шихтой (рис.7.3).
Распределение породной фракции по классам крупности в мелком
продукте 1-й ступени, отличается от такового в исходной шихте и
крупном продукте сепарации. Наиболее крупные зерна последнего
характеризуются пониженным, по сравнению с другими классами,
содержанием фракции плотностью > 1,8 г/см. С уменьшением крупности
зерен мелкого продукта содержание породных частиц растет, достигая
максимального значения в классах < 0,25 и 0,25- 1мм.
В мелком продукте 2-й ступени крупные классы имеют
повышенное содержание породных фракций. Однако содержание этих
классов относительно невелико: при уровне измельчения - 80% класса
<3 мм количество крупных зерен (> 3 мм), поступающих в готовую
шихту, составляет 3-4%.
Распределение породных фракций по классам крупности готовой
угольной шихты аналогично их распределению в мелком продукте 1-й
ступени сепарации. Отличие состоит в том, что крупные классы шихты
имеют более высокое, по сравнению с мелким продуктом 1-й ступени,
содержание породы. Это, несомненно, является результатом влияния
крупных классов мелкого продукта 2-й ступени сепарации.
8? 14
I
о
О
1.2
10
>6 3-6 7-3 0.25-1 <0.25
Рис. 7.3 Содержание фракции " 1.8 г/ем* в классах крупности угольной ипаты и продуктов
сепарации: I - исходная шихта: 2 мелкий продукт I ступени: 3 крупный продукт I
ступени: 4 - мелкий продукт II ступени: 5 крупный продукт II ступени: 6 - шихта,
подготовленная по схеме ДШ; 7 шихта, подготовленная методом ПМС.
212
7. Новые способы подготовки углей к коксованию Лгя деиствуюгцнх'проимооств
7.1. Ити/ютелыюе измельчение углей с пие&чатцческон сепарацией в кипящем cute
213
При сравнении угольных шихт, подготовленных методом ИД
ПМС и обычным способом, по спекаемости и зольности различия не
обнаруживается. Особенности подготовки проявляются при анализе
классов крупности как готовой шихты (рис.7.4-7.6), так и промежуточных
продуктов. Как уже отмечалось, крупные продукты 1-й и, особенно, 2-й
ступеней сепарации имеют повышенную зольность, причем зольная
часть сосредоточивается в основном в классах 6-3 и > 6 мм (см. рис.7.5).
Зти же продукты имеют и пониженную спекаемость, с наименьшими
показателями также для крупных классов.
Наименьшую зольность имеет мелкий продукт 1-й ступени
сепарации, причем с увеличением крупности зерен зольность снижается.
Спекаемость его наиболее высокая и возрастает от крупных зерен к
мелким. Более сложным по формированию вещественного состава
является мелкий продукт 2-й ступени сепарации. Большой зольностью
обладают зерна средней крупности 6-3 мм, что определяется режимом
измельчения крупного продукта и сепарации на 2-й ступени. Этот
продукт, по-видимому, определяет формирование локальных внутренних
напряжений в коксе, поэтому на его качество должно быть обращено,
особое внимание.
89
а?
83
80
1
4
3
г!
У у
>6
3-6
1-3 0.25-1 <0.25
Класс крупности, мм
Рис. 7.4 Содержание фракции < 1,4 г/см3в классах крупности угольной шихты: I'-исходной:
2-подготоеленноО по схеме ДШ: 3-подготовленной по схеме ПМС.
Готовая угольная шихта характеризуется более высокой
равномерностью спекаемости и зольности по классам, в сравнении с
шихтой, подготовленной обычным способом (см.рис.7.6). Это создает
условия для дальнейшего снижения уровня ее измельчения без
ухудшения физико-механических свойств кокса.
20
19
18
17
16
15
«г
$.14
§13
о
S
11
10
/
2
/
5
ч (а
\
\
3
60
40 '
о;
а
S
I
30
20
10
/
/
-
V
7
У
1
¦¦¦uj
/t!
>6
3-6
3-6
<3
<3 >6
Класс крупности, мм
Рис. 7.5 Зольность (а) и индекс вспучивания (б) классов крупности шихты и продуктов ее
сепарации: I - мелкий продукт I ступени: 2 - крупный продукт I ступени: 3 —мелкий про-
продукт II ступени: 4 - крупный продукт II ступени: 5 - шихта.
214
7. Hftebie способы подготовки у.-.neii к коксованию <\ut действующих н/хпивпдс/пв
гусжй с пюыатичсск-at сспарацисА « юитщвм
215
Материальный баланс двухступенчатой пневмосепарации
1
i
На основе изучения материальных потоков разработана методика
анализа баланса и расчета содержания мелких классов на всех стадиях
технологического процесса для регулирования режима работы установки
и распределения вещественного состава по классам крупности готовой
шихты [295]. В качестве основного показателя при оценке уровня
измельчения углей в данной методике принято содержание класса < 3 мм.
Схема и исходные данные для расчета представлены на рис 7.7. Не
приводя здесь промежуточных доказательств, дадим основные формулы
для расчета:
G.1)
13
12
11
10
S
\
\
\
\
2
(а)
V'
ч
\
50
с 40
8 30
20
2
\
/
(б)
У
У i
1
1
/
/
>6 3-6 <3 >6
Класс крупности, мм
3-6
<3
Рис. 7.6 Зольность (а) и индекс вспучивания F) классов крупности шихты, подготовленной
по схеме: 1 - ДШ: 2 - ПМС.
-И
о)
I
\
—>
-0 ^
2 3-
II
F-~l О
If
«i
о» i
2. S
i
Ii
1 I
2 I
I?
2 -•
216
7. Новые способы подготовки yr.ien к коксованию Нам действующих производств
Избирательное из.чельчение угяеш с пневматической cenapainteii в кипящем
217
'Ятгт-
' G2)
; G3)
где Q, Q\,Qi~ количество исходной шихты, а также поступающей
на I и 2-ю ступени сепарации; QIM, @2m,Q\k, Qiv. — количество мелкого и '
крупного продуктов 1 м 2-й ступеней сепарации; И\, И2, М\, Mi, Ku К2-
содержание класса < 3 мм в исходной шихте, мелком и крупном
продуктах 1 и 2-й ступеней сепарации.
Разработанная методика предназначается для проектирования
двухступенчатых установок на коксохимических предприятиях.
7.1.2. Повышение эффективности работы и производительности
отделителей с кипящим слоем
Эффективность разделения сыпучих материалов и производи-
производительность аппаратов, в значительной мере, определяется структурой
кипящего слоя, которая, в свою очередь, зависит от характера газового
потока, воздухораспределительного устройства, взаимодействия с
прилегающими к нему слоями материала [198-203].
Воздухораспределительное устройство ОКС-250, состоящее из
шпальтового сита и кварцитовой насадки, оказалось непригодным для
длительной эксплуатации. Поэтому с учетом особенностей угольного
материала были проведены расчеты и эксперименты по выбору простой и
надежной решетки.
Гидравлическое сопротивление решетки ( Р, Па ) зависит от ее
живого сечения (ф, %), числа отверстий (и), их диаметра (dorB, м),
скорости воздуха (w, м/с). Но оптимальные величины Риф являются
индивидуальными для каждого материала и подбираются опытным
путем. Для ориентировочной оценки/*можно воспользоваться формулой
[203].
Р =
Kt
G.6)
где уд/ - кажущаяся плотность материала, кг/м3 Яо - высота
неподвижного слоя материала, м; g - ускорение силы тяжести, м/с2; wm/,, -
минимальная скорость воздуха, необходимая для начала псевдо-
псевдоожижения, м/с; Кк - коэффициент, характеризующий долю сечения слоя,
занятую каналами (изменяется в пределах 0,1-0,5).
И.М.Разумов [204] установил зависимость конструктивного пара-
параметра "А", определяемого по равномерности псевдоожижения от основ-
основных параметров решетки
Л Ji> § Ф
D do,m "
где /р - шаг отверстий, м; D -диаметр или ширина аппарата, м; 6-
толщииа решетки, м. Или в упрощенном виде
А =
D3
G.7)
Характер газораспределения зависит от количества и взаимного
расположения отверстий в решетке
где F— площадь решетки, м2.
Живое сечение определяется из соотношения
nd1
Е.Викке [205] считает, что- наилучшее псевдоожижение обес-
обеспечивается при
Ф = 0,017о)"-", G.10)
218
7. Нтые способы нодгагпткн yr.iefi к какамшннш гЬя действующих яргпинпйств
7.1. Итщюте.чыше ихиаьчетк yr.ieft с пневматической сепсцюцией а кипящем слое
219
где со -число псевдоожижения при классификации, равное 1,8-2,1.
Расстояние между отверстиями
= Щ G.11)
Во избежайие провала частиц через отверстия скорость воздуха в
них (wOTe) должна превышать скорость витания (we) частиц, размеры
которых меньше диаметра отверстий.
Скорость газа в отверстиях рекомендуется определять по урав-
уравнению [206]
w ..».,! —
У с
G.12)
где у0- плотность газа при 20°С; Aт„ - максимальный диаметр
частицы, м.
• Характер псевдоожижения в зоне, прилегающей к решетке,
зависит от высоты факела
Нф =2,85w"
G.13)
При классификации угля, когда w,,,,,,, = 20-30 м/с и d0JB - 0,2 мм, Яф
находится в пределах 40-50 мм. Зона влияния решетки на процесс
псевдоожижения остается неизменной, поэтому с увеличением слоя ее
роль снижается [202,204,207,208]. Но шаг отверстий и их диаметр
определяются крайними размерами зерен материала [202,203].
В результате расчетов и испытаний различного типа решеток в
качестве основных конструктивных ее параметров были приняты:
"живое" сечение 4%, диаметр отверстий 4 мм, шаг 20 мм, площадь 11,4
м2, общее количество отверстий ~ 29000, толщина решетки 4 мм. При
•скорости воздуха над решеткой в слое 1,0-1,3 м/с показатели процесса
оказались следующими: гидравлическое сопротивление решетки вместе
со слоем угля 1,47-2,06 кПа, высота кипящего слоя 200-400 мм, скорость
воздуха в отверстиях 20-25 м/с, высота "факела"' воздуха 15-20 мм. При
этом эффективность классификации (?к) составила 64-67%, а степень
извлечения класса < 3 мм из исходного угля (Л11ВЛ) 86,4-90,3 %.
Эффективность классификации определяется по формуле [209]:
*
Я(ЮО-Я)
100, G.14)
где Rm - выход мелкого продукта сепарации от исходного угля, %;
М, И — содержание класса < 3 мм в мелком продукте сепарации и в
исходном угле.
G.15)
"Qh
где Qv - производительность аппарата по мелкому продукту, т/ч;
QH — производительность по исходному углю, т/ч.
Из представленного анализа следует, что существенно повысить
производительность аппарата за счет увеличения скорости воздуха,
уменьшения пребывания угля в аппарате не представляется возможным
из-за снижения эффективности классификации. Но одним из таких
параметров может быть высота кипящего слоя (Н^), поскольку
производительность аппарата (Q, т/ч) определяется массой материала на
рабочей площади аппарата FТ, т) и времени его пребывания (т, ч)
G.16)
где уд/ - плотность насыпной массы материала, т/м3
Высота подвижного слоя материала (#0) в аппарате определяет
высоту кипящего слоя (Ясл)[204]
Н„=\Н0 G.17)
где А. - степень расширения слоя, которая в условиях
классификации равна 1,4-1,6 [210,211].
Из G.16) и G.17) следует, что
Н. =
G.18)
То есть производительность аппарата по углю находится в прямой
зависимости от высоты кипящего слоя при прочих одинаковых условиях.
Следует, однако, рассмотреть главный вопрос, связанный с возмож-
возможностью повышения производительности путем увеличения высоты
кипящего слоя - эффективность и качество разделения. Поскольку в
литературе поэтому вопросу имеются противоречивые мнения [202, 204,
208, 212-215], было выполнено специальное исследование на промыш-
промышленном ОКС-250 в широком диапазоне высоты кипящего слоя
(производительности): нагрузка менялась от 200 до 500 т/ч. Высоту
220
7, Новые еткойы подготовки yr.ieii k клксовапию (Ъя действующих npmtieodcme
порогов устанавливали по расчету от 80 до 200 мм, скорость воздуха
меняли от I, I до 1,4 м/с.
Установлено (рис. 7.8, 7.9), что высота кипящего слоя растет
пропорционально увеличению нагрузки, повышается содержание класса
< 3 мм в мелком продукте, снижается засорение крупного продукта
мелочью. С ростом нагрузки до 350 т/ч выход мелкого продукта сначала
увеличивается, а далее снижается. Эффективность классификации до 450
т/ч повышается.
Таким образом можно заключить, что при помощи увеличени:
высоты кипящего слоя производительность аппаратов ОКС-250 мо
быть повышена до 450 т/ч.
I
I
86-
84-
82-
I
8 80-
78-
34-
s? 3°-
.
1
•О
О
о.
с
| 26-
1
ЗММ(
V
% 22-
18-
/
\ /
\ й
\ /
¦V/
л
/\
/ ч
/ \
/ \
/ \
л
2 ^
/
200
I
300
400 500
Производительность, т/ч
Рис. 7.8 Содержание класса <3мм в продуктах сепарации; I -мелкам; 2 - крупном.
7. /. Июирателыкк шчанчет/е yr.iei) с ниеанашичесмт сеиа/шцнеы « кшшцелг cjU
221
7.1.3. Избирательное измельчение с одноступенчатой
пневмосепарацией (П1У1С-1)
Необходимость упрощения схемы избирательного измельчения с
пневмосепарацией в две ступени (ПМС-2), была продиктована неко-
некоторыми негативными сторонами этой технологии, выявленными в
процессе эксплуатации установки:
— одновременная работа трех отделителей (два на первой и один на
второй ступенях сепарации) и связанная с этим громоздкость схемы,
пониженная ее эксплуатационная надежность;
— необходимость разработки и осуществления двух разных режимов
работы отделителей I и 2-й ступеней;
280-
щ
240 -
200 -
160-
120
70-
68-
64-
62-
60-
60-
55-
8
I
50-
¦е-
§45-
40
\
V.
200
300
400
I
500
Производительность, т/ч
Рис. 7.9 Характкристика процесса с повышением производительности отделителя: I -¦
высота кипящего слоя; 2 - выход мелкого продукта сепарации; 3 - эффективность
классификации.
222
7. Нпные сшкпйы unrl-тунанлг y.vieii к константа <Ъя действующих
— снижение эффективности сепарации при повышенной (более 8%)
влажности исходной угольной шихты, необходимость обработки ее
органическими жидкостями и связанные с этим осложнения в эксплу-
эксплуатации: запыленность, загазованность помещений, повышенная
пожарная опасность и др.
Возможность осуществления более простой одноступенчатой
схемы пневмосепарации определилась после усовершенствования
основного аппарата - ОКС, в результате чего повысилась его производи-
производительность. Этому способствовало также исследование всех продуктов
процесса, позволившее установить существенные различия влажности
углей, поступающих на I и 2-ю ступени сепарации.
Установлено, что при средней влажности исходной шихты 7,5%,
влажность наиболее мелких классов < 0,5 мм достигает 11-12% (рис.7.10).
Крупный продукт I и 2-й ступеней сепарации, поступающий после
I
9 10 11
Крупность, мм
Рис. 7.10 Зависимость влажности от крупности угольной шихты: I - исходная шихта.
2 - крупный продукт I ступени сепарации: 3 - крупный продукт II ступени сепарации
7.1. Издирате./ыте тмельчсштуглей с ннеыштнческпи ccnajxiifiwii в кипящем сте
223
измельчения на 2-ю ступень, имеет среднюю влажность 4,5%. Такое
соотношение сохраняется и при более высоком ее значении в исходной
шихте. Поэтому, если соединить исходную шихту и крупный продукт
после измельчения для совместной сепарации в одном отделителе, то
средняя влажность исходных углей снижается. Учитывая, что количество
крупного продукта составляет 30-35% от исходной шихты, при их
объединении в один поток общая влажность исходных углей будет
пропорциональна долевому участию каждого из них. В случае, который
представлен на рис 7.10 влажность объединенной исходной смеси на
сепарацию составит 6,7%. Поскольку wlk является показателем регу-
регулируемым, то даже при влажности исходной угольной шихты > 8,5%
можно добиться влажности смеси < 8%, при которой процесс идет без
затруднений. Исходя из этого была произведена реконструкция уста-
установки и замкнут цикл пневмосепарации на первой ступени путем
возврата крупного продукта после измельчения в исходную шихту.
Технологическая схема установки с одноступенчатой пневмосепарацией
показана на рис.7.11 [196,216].
Исходная угольная шихта, составленная из предварительно дроб-
дробленых до уровня -60% класса < 3 мм компонентов, из дозировочного
отделения поступает в ОКС и разделяется на два продукта - крупный и
мелкий. Последний представляет собой готовую шихту, а крупный
поступает на измельчение, после чего направляется в исходную шихту.
Исследование технологической эффективности избирательного
измельчения с одно-и двухступенчатой пневмосепарацией, в сравнении с
обычным дроблением шихты по схеме ДШ, было выполнено в
промышленных условиях на производственной шихте НТМК. Основным
показателем для сопоставления по аналогии с [217] был принят коэф-
коэффициент равномерности распределения показателей качества шихты по
классам крупности. Средние показатели рассчитывали как средне-
средневзвешенные:
G-19)
'"
G20,
Результаты сопоставительного исследования представлены на
рис.7.12, 7.13 ивтабл 7.1.
Обращает на себя внимание закономерный и важный результат
процесса пневмосепарации: при одинаковом уровне измельчения (-80%
класса < 3 мм) количество пыли класса < 0,5 мм на ~ 3-5% меньше чем в
шихте обычного измельчения. Максимум выхода средних классов
224
7. Новые способы подготовки yc.ieb к коксованию Аля действующих n/xntjeoticme
повышается, но он соответствует меньшей их крупности (~ 2 мм).
Коэффициент равномерности гранулометрического состава повышается
в ряду ДШ -> ПМС 2 -^ ПМС I.
Показатели, характеризующие распределение вещественного сос-
состава углей по классам, изменяются следующим образом (см. рис.7.12).
Неблагоприятное распределение минерализованных составляющих
Исходные угли
60 % <3 мм
YYYYY
О О
Рис. 7.11 Схема избирательного измельчения с одноступенчатой пневыосепарацией
угольной шихты: 1.4- дробилки: 2 - силосы: 3 - ОКС.
7.1. Иширапшыиш lix\ie.n>4cimc ул/eii с пиечиапшчесмш сен
225
(см. рис. 7.13) по классам имеет шихта, подготовленная по схеме ДШ:
отмечается повышение зольности от мелких классов к крупным
(см. рис.7.12, б).
Таблица 7. /
Гранулометрическая характеристика и равномерность показателей
качества угольной шихты
Показатели
Уровень измельчения, % класса < 3 мм
Средний размер зерен, мм
Содержание класса < 0,5 мм, %
Коэффициент равномерности:
гранулометрического состава
зольности
выхода летучих веществ
индекса вспучивания
Условный общий коэффициент
равномерности
Способ подготовки шихты
ДШ
79,4
1,87
42,2
0.38
0,90
1,25
0,08
0,65
ПМС-2
79,9
1,90
39,5
0,37
1,94
2,44
0,19
1,24
ПМС-1
79,7
1,88
37,1
0,43
2,80
2,10
0,28
1,40
При подготовке избирательным измельчением зольность классов
выравнивается, более того проявляется тенденция к противоположному
распределению золы: повышается зольность от крупных классов к
мелким. Коэффициент равномерности распределения золы в шихте также
улучшается в ряду ДШ -» ПМС 2 -» ПМС 1.
Выход летучих веществ и индекс вспучивания по классам
крупности изменяются в одинаковой последовательности и в сторону,
противоположную изменению зольности. При подготовке шихты обыч-
обычным способом оба показателя снижаются от мелких классов к крупным.
Двухступенчатая пневмосепарацня выравнивает выход летучих веществ
по классам, а одноступенчатая - меняет характер распределения на
противоположный. Лучший коэффициент равномерности по выходу
летучих веществ имеет угольная шихта, подготовленная по схеме ПМС-2.
Характер изменения индексов спекаемости по классам крупности в целом
сохраняется. Однако различия в спекаемости мелких и наиболее крупных
классов угольной шихты, подготовленной по схемам ПМС, существенно
сокращаются, коэффициент равномерности индекса вспучивания растет.
Не зная, в целом, вклада каждого показателя, можно дать
ориентировочную сопоставительную оценку способов подготовки ших-
шихты, приведя набор коэффициентов равномерности к некоторому услов-
условному среднему. Видно, что по этому показателю технологическая эффек-
эффективность улучшается при переходе от обычных способов подготовки к
226
7. Новые cnttcthibi пиЛ^онмвки yr-'ieti к кпкстшиию дяя Мкшвутщнх
избирательному измельчению. Но будет ли эффективнее односту-
одноступенчатая схема, в сравнении с двухступенчатой, может показать только
длительное испытание с изучением качества получаемого кокса.
I
0,25 0.5 1 2 3 5 7 10 25
0.25 0.5 1 2
3 5 7 10 25
Крупность, мм
Рис. 7.12 Гранулометрический состав и покачатели качества классов угольной шихты.
подготовленной: 1 - игмельчением по схеме ДШ: избирательным ичмельчснием с
пневматической сепарацией: 2 в dee ступени: 3-е одну ступень.
ь
I
"О
C
227
<0.5
0,5-3
3-6
(б
I
>6
Класс, мм
Рис. 7.13 Содержание фракций плотностью <1.4 г/см' (а) и 1,8 г/см' F) в классах
крупности угольной шихты, подготовленной: I - измельчением по схеме ДШ: избиратель-
избирательным игмельчением с пневматической сепарацией: 2-е две ступени: 3-е одну ступень.
к кпкахщиию i):m ОепстлунОЩНХ проимодств
7.1.4. Испытание качества кокса из угольных ши\:т,
подготовленных разными способами
Анализ изменения качества кокса при переходе от одной
технологии подготовки к другой выполнен двумя! способами сопос-
сопоставления: периодов работы при подготовке шихты примерно одина-
одинакового состава разными способами с соблюдением постоянства основных
показателей подготовки шихты и коксования; изменением во времени
разницы в прочности кокса между 2-м блоком коксовых батарей, для
которого шихта подготавливается методом ПМС и 1-м блоком,
работающем на той же шихте, подготавливаемой по схеме ДДК. Резуль-
Результаты сопоставления отдельных периодов работы 2-го блока углепод-
готовительного и коксового цехов НТМК приведешь! в табл. 7.2. Если
первые два периода испытаний следовали друг за другом с незначи-
незначительным разрывом во времени и условия их проведения были во многом
сходными, то третий период испытания отделяет от первых двух два года:
это время потребовалось на реконструкцию установки и освоение
одноступенчатой схемы. За это время произошли некоторые изменения в
качестве отдельных марок углей. Поэтому третий период испытания
следует рассматривать как ориентировочный.
Состав шихт 1 и 2-го периодов практически не отличался, а 3-го
периода несколько изменен. Спекаемость шихты примерно одинаковая.
Уровень измельчения шихты 3-го периода снижен. Условия коксования
были практически одинаковые.
Таблица 7.2
Сравнительные испытания угольных шихт,
подготовленных разными способами
Показатели
1. Шихта
Состав, %:
Г
Ж
К+КЖ
К2
Технический анализ, %:
W
А"
V
Толщина пластического слоя.мм
Индекс вспучивания, мм
дш
14,0
29,2
42,6
14,2
8,0
9,0
26,6
16
39
Способ подготовки
ПМС-2
13.4
29,0
43,6
14,0
8,5
9,0
26,5
16
34
шихты
ПМС-1
16,2
28,1
43,1
12,6
8,1
9,1
25,6
17
40
7.1. Избирательное шлшьче/aie угуп
77Q
Показатели
Уровень измельчения, %:
классы, мм:
<3
<0,5
Плотность насыпной массы (на
сухой уголь), т/м
2. Условна коксование
Период коксования, ч
Температура обогрева, °С:
машинная сторона
коксовая сторона
Температура по оси коксового
пирога,°С
3. Качество кокса
Технический анализ,%:
W
А"
Гранулометрический состав,%:
классы, мм:
>80
80-60
60-40
40-25
<25
Средняя крупность, мм
Коэффициент однородности
Прочность по большому барабану,
кг: остаток
класс< 10 мм
Выход металлургического кокса, %
дш
85,0
45,7
0,724
14,40
1309
1345
1026
2,0
12,0
27,1
46,0
21,6
3,4
1,9
75,1
4,44
314
43
92,5
ПМС-2
82,5
39,4
0,737 ¦
14,55
1306
1336
1005
2,2
12,0
28,1
45,7
21,2
3,3
1,7
75,4
4,48
325
39
92,9
ПМС-1
78,3
36,0
0,750
14,56
1304
1338
1016
2,4
12,2
30,9
44,7
20,4
2,4
1,6
76,0 ¦
4,56
326
39
93,0
Обращает на себя внимание тенденция к увеличению крупности
металлургического кокса. При переходе от обычного способа подготовки
шихты к избирательному измельчению ПМС-2 прочность кокса по обоим
показателям большого барабана возросла: остаток увеличился на II кг, а
класс < 10 мм в провале уменьшился на 4 кг. Выход металлургического
кокса повысился на 0,4%. Переход на схему ПМС-1 практически tfe
изменил прочностных показателей.
230
7. Новые способы mtAmmtwKHуглеЛ к KOKCttftamtio 0.1Я дейспщкицих
Сопоставление качества кокса между блоками показывает
следующее (рис.7.14). Отмечается повышение прочности кокса в среднем
на 8 кг по остатку в барабане после ввода установки в эксплуатацию по
схеме ПМС-2. После реконструкции установки с переводом ее на схему
ПМС-1 разница в прочности несколько уменьшилась. Однако в этом
сопоставлении необходимо учитывать общий, более высокий, уровень
330
320
310
48
s
s
! Про
41
i
о
V
46
44
42
40
38
1970 1972 1974 1975 1978 1980 1982 1983
Годы
Рис. 7.14 Изменение прочности кокса: I -1 блока печей (схема ДК): 2 - // блока печей (с 1972
г cxe.ua ПМС)
7-1. Иющштельшх uj.\te:n
прочности кокса по обоим блокам, что приводит к снижению разницы. В
сопоставимых условиях можно считать, что качество кокса осталось на
таком же уровне, как и при подготовке шихты по схеме ПМС-2.
Таким образом, переход с двухступенчатой на одноступенчатую
схему пневмосепарации, существенно упрощая технологию подготовки
шихты, оказывая положительное влияние на эффективность процесса
разделения угля, вместе с тем, не приводит к изменению качества кокса
по его основному показателю - прочности. С учетом возможности
дальнейшего снижения уровня измельчения угольной шихты отмеченное
обстоятельство следует считать положительным.
7.1.5. Сравнительные испытания кокса доменными плавками
Проведены длительные промышленные испытания и сравни-
сравнительные доменные плавки на коксе из шихты, подготовленной обычным
способом и избирательным измельчением с пневмосепарацией (ИД
ПМС-1). Продолжительность испытания кокса из шихты избирательного
измельчения в доменной печи № 5 с объемом 1719м' составила 3,5 мес, в
доменной печи № 6 объемом 2700 mj - 2,3 мес. Продолжительность
сравнительных периодов соответственно составила 6 и 3 мес.
Состав и качество угольной шихты в период исследований выдер-
выдерживались практически одинаковыми,%: W1 - 8,2; А'1 - 9,0; У1 - 26,6;
толщина пластического слоя 16 мм. Уровень измельчения исходной
шихты 62, готовой шихты ~80% класса < 3 мм.
В опытный период несколько снизилась температура коксового
пирога, что объясняется увеличением плотности насыпной массы и
загрузки печей (табл. 7.3). Средняя крупность и однородность опытного
кокса несколько выше соответствующих показателей сравниваемого
периода.
Наиболее существенны различия в прочности кокса: остаток в
большом барабане увеличился на 8-14 кг B-3,5% отн.), а содержание
класса < 10 мм в провале уменьшилось на 3-6 кг. Выход металлур-
металлургического кокса от валового увеличился в среднем на 0,4%.
Применение кокса из шихты, подготовленной по схеме ПМС, в
сравнении с коксом из шихты обычного измельчения (табл.7.4), при
одинаковой интенсивности плавки, в доменной печи № 5 способствовало
повышению ее фактической производительности на 45 т/сут.( 1,48%), а
скорректированной - на 22 т/сут.@,72%), удельный расход кокса при
этом уменьшился на 8 кг/т чугуна A,68%), а скорректированный на 5 кг/т
A,05%).
232
7. Нгтые способы пгнЪчттш yr:iett к коксованию Атя Aeitcmayjatifnx прапмпЛсят
Таблица 7.3
Условия коксования и качество кокса
Показатели
1. Условия коксования
Период коксования, ч
Разовая загрузка (сухое), т
Температура обогрева, "С:
машинная сторона
коксовая сторона
Конечная температура
коксования, °С
2. Качество кокса
Технический анализ, %:
W
А"
Гранулометрический
состав,%: классы, мм:
>80
80-60
60-40
40-25
<25
Прочность по большому
барабану, кг:
остаток
класс < 10 мм
Выход металлургического
кокса,%
Д.п. St 5
опытный
14,61
15,99
1304
1340
995
2,3
12,1
28,7
45,2
21,1
3,3
1,7
324
39
93,0
сравнительный
14,46
15,63
1312
1347
931
2,1
П,9
27,1
46,1
21,5
3,4
1,9
316
42
92,5
Д-п. № 6
опытный
14,54
15,82
1307
1332
995
2,1
12,0
27,4
46,2
21,3
3,3
1,8
326
38
92,8
сравнительный
14,33
15,61
1305
1342
1021
2,0
12,0
27,2
45,9
21,7
3,3
1,9
312
44
92,5
В период испытания опытного кокса доменная печь № 6 работала
на более высоком давлении газа на колошнике, по сравнению с периодом
применения обычного кокса. В этих условиях интенсивность плавки
возросла: по сожженному углероду на 7,9%, по проплавленной руде на
2,8% и по дутью на 5%. Фактическая производительность печи
повысилась на 300 т/сут.F,6%), а скорректированная на 99 т/сут.B,15%);
удельный расход кокса незначительно возрос (на I кг/т чугуна), а
скорректированный остался на том же уровне. Последнее является
следствием высокой интенсивности плавки, несколько худшим
использованием химической энергии газа и повышенным содержанием
закиси железа в шихте.
7.1. Июиратеяыак ми/еле w/nrg углей с ннеанатнческЫ! cenapaifue/i t
233
Таблица 7.4
Технико-экономические показатели работы доменных печей
Показатели
Производительность, т/сут.
Интенсивность плавки:
по суммарному углероду,т/м1
по руде, т/м'
по дутью
Расход материалов:
кокс (сухое), кг/т
агломерат, кг/т
окатыши, кг/т
железная руда, кг/т
металлодобавки, кг/т
природный газ, м'/т
Содержание Fe в шихте, %
Дутьевые параметры:
расход, м /мин
давление, кг/см2
температура, °С
Скорректированные показателя:
производительность, т/сут
разница, %
удельный расход кокса, кг/т
разница, %
Д.п.№5
опытный
3079
0,804
3,143
1,91
467
1663
51
23
• 78
88
54,72
3291
2,63
1187
3086
+0,71
470
-1,05
сравнитель-
сравнительный
3034
0,815
3,151
1,93
475
1686
55
27
36
89
54,18
3312
2,62
1163
3964
-
475
-
д.
опытный
4798
0,840
3,170
1.83
488
1785
_
_
18
88
54,48
4933
3,44
ИЗО
4677
+2,15
487
-
п. Л« 6
сравнитель-
сравнительный
4498
0,778
3,084
1 75
487
1851
82
54 70
4737
3,23
1128
4578
487.
-
После реконструкции установки: с переводом ее на односту-
одноступенчатую схему уровень измельчения шихты был снижен с 82,8 до 76,7%
класса < 3 мм. При этом содержание класс;! < 0,5 мм уменьшилось еще на
4,8% и разовая загрузка печей возросла на 1,8%.
7.1.6. О перспективе внедрения избирательного измельчения углей
с применением пневмосепарации
Перспективу внедрения избирательного измельчения с пневмосе-
парацией необходимо рассматривать в плане возможности расширения
сырьевой базы коксования и привлечения менее дефицитных и дешевых
углей с одновременным удовлетворением требований доменного произ-
производства к качеству кокса.
234
7. Новые способы шхХ'отавкиуглей к кпкашанчт <Ьч действующих и/юнятдамв
7.1, И1бщюте:1ыюе измельчение углей с пиевмаятческегИ cenapatpieii в кипящем cine
235
Проведены испытания шихт различного состава, подготав-
подготавливаемых способом избирательного измельчения в полузаводских и
промышленных условиях, включающих угли основных бассейнов
России, Казахстана, Украины и Индии.
В табл.7.5 и на рис.7.15 приведены результаты испытания шихт из
углей Кузнецкого бассейна. Несмотря на существенные различия в
составе, угольные шихты мало различаются по спекаемое™, опреде-
определяемой пластометрическим методом. Между тем, эти шихты характери-
характеризуются разной коксуемостью. Поэтому для того, чтобы с большей
надежностью оценить имеющиеся данные по эффективности избира-
избирательного измельчения, коксуемость условно выражена прочностью по
остатку в большом барабане кокса из шихт, подготовленных обычными
методами по схемам ДШ, ДК и ДДК.
340
I
I
320
330
340
Условная коксуемость шихт
(по прочности кокса, кг)
Рис. 7.15 Соотношение между показателями прочности кокса, получаемого ш шихт при
обычной подготовке по схема» ДШ. ДКиДДК (I) и избирательном измельчении (II).
Таблица 7.5
Характеристика угольных шихт
н _
Варна
шихт
!
2
3
4
5
6
7
8
9
10
II
Г6
-
40,0
20,0.
40,0
20,0
-
-
-
-
-
-
Г17
50,0
- -
-
20,0
-
-
13,5
16,0
13,3
15,0
40,0
Состав шихты,%
1Ж26
-
25,0
25,0
10,0
25,0
30,0
28,5
28,0
29,5
28,0
-
К
10,0
-
30,0
-
30,0
40,0
43,5
42,0
.43,8
44,0
45,0
К2
20,0
35,0
-
30,0
-
30,0
14,5
14,0
13,4
13,0
15,0
ОС
20,0
-
25,0
-
25,0
-
-
-
-
-
-
о
L.
« О _
я % 7-
= Z ж
3?«
§ ?°
Н|«
14
14
14
14
15
15
16
16
16
16
16
Технический
анали1,%
А"
9,0
8,6
9,9
8,9
8,8
9,0
9,0
9,2
^1
9,0
8,4
V
28,0
29,4
25,1
30,2
26,0
24,0
26,6
24,4
26,3
24,6
26,6
Показатели прочности кокса из этих же шихт, подготовленных
методом ПМС, располагаются около прямой, которая находится выше
прямой "коксуемости". Связь между ''коксуемостью" (х) и прочностью
кокса из шихты, подготовленной с применением ПМС (у), выражается
уравнением
у = 0,569 х+ 145,4.
О тесной связи между этими показателями свидетельствует
коэффициент корреляции 0,97. Из уравнения следует, что шихта, дающая
при обычных условиях подготовки кокс с прочностью по остатку в
барабане ~ 337 кг (или по М25-89-90%), с применением избирательного
измельчения может не дать прироста прочности кокса. Но и в этом случае
применение ПМС будет эффективным, так как способствует получению
кокса более однородной структуры. Исходя из установленной законо-
закономерности, можно определять целесообразные границы применения ПМС
и внедрения этого метода в производство, исходя из конкретной угольной
сырьевой базы.
Предполагалось, что избирательное измельчение эффективно
только для подготовки к коксованию петрографически неоднородных
углей Кузнецкого и Карагандинского бассейнов и не имеет перспективы
Для предприятий, работающих на петрографически однородных, нап-
например, донецких углях. В связи с этим был поставлен полузаводский
236
7. Нтыесиоаюы ткичюнюту?жй ккоисиваишаЛ.1ЯЛчЬсямуччцихпрпим
эксперименте привлечением широкой гаммы углей различных бассейнов
(табл. 7.6, 7.7).
Таблица 7.6
Состав угольных шихт
технологическая группа
Добропольская, Г6
Комсомольская, Г6
Суходольская, Г + Ж
Дзержинская, Ж
В-Дуванская, Ж
Донецкая. К
Пролетарская, К
Калининская, ОС
Чумаковская, ОС + Т
Днепродзержинского КХЗ
Ясиновского КХЗ
Им Костенко, К + К2
Сибирь, Г + К
Анжерская ОС
Воркутинская, Ж10 + Ж18
Шихта
1 эталон
2
з
Донецкие угли
20
20
5+14
14
-
II
8
4+4
-
_
-
-
-
-
" -
-
-
-
¦ -
100
-
-
-
-
-
-
-
-
-
100
-
Карагандинские угли
_
¦
Кузнецкие угли
-
_
-
-
-
-
Печорские угли
| -
1 -
4
15
15
5+14
14
¦
-
II
8
4+4
-
-
ю
-
-
| -
5
15
15
5+14
14
-
6
3
4+4
-
20
-
| -
6
-
-
-
10
8
-
-
-
-
-
-
28+12
21
[ 21
Примечание: Шихта 6 -
комбината
коксохимпроиэводства Новолипецкого металлургического
Таблица 7.7
Технологическая характеристика угольных шихт
I
Показатели
Технический анапиз,%:
У
S",
Пластометрические показа-
показатели, мм:
X
Y
,
7,3
30,1
2,0
32
15
2
8,8
30,0
2,0
34
14
Шихта
Э
8,4
29,8
1,5
30
16
4
7,0
28,9
1,9
32
15
5
8.1
29,1
1,8
33
14
6
9,5
27,1
1,0
36
16
'. ИjoupannLibtfoe юмельченнеy?:iet'i с пиеамаштческоО сепарацией в кипящей с:те
237
Показатели
фракционный анализ, %.*
кг/м': < 1400
1400-1800
> 1800
Шихта
1
89,7
8,2
2,1
2
82,7
13,3
4,0
3
88,9
7,2
3,9
4
-
5
83,6
13,5
2,9
6
81,8
15,6
2,6
¦ Фракционный состав определяли после избирательного измельчения шихты
Подготовку угольных шихт осуществляли по трем схемам: ДШ -
всю массу измельчали до 75-76% содержания класса < 3 мм и этот
уровень выдерживали для всех шихт при разных способах подготовки;
ИД - упрощенная схема избирательного измельчения (из шихты
механическим способом выделяют класс > 6 мм, который измельчают до
-80% класса <3 мм и смешивают с классом <6 мм); ВДК-избирательное
измельчение шихты с применением пневматической сепарации (всю
шихту измельчают до эталонного уровня в вентилируемом дробильном
контуре — аналог одноступенчатой пневмосепарации на отделителях с
кипящим слоем).
Все шихты коксовали в полузаводских печах по 3-8 параллельных
опытов (табл.7.8).
Избирательное измельчение угольных шихт с пневмосепарацией
способствует существенному улучшению качества кокса, по сравнению с
другими способами подготовки, в том числе с упрощенным избира-
избирательным измельчением. Причем увеличение прочности кокса тем
больше, чем больше в шихтах слабоспекающихся углей.
Учитывая, что в перспективе в шихты заводов России и Украины
все больше будут вводить углей пониженной коксуемости, можно с
уверенностью утверждать, что для их подготовки к коксованию наиболее
приемлемым и эффективным станет избирательное измельчение с
пневмосепарацией.
Более высокая эффективность этого способа, по сравнению с
обычными, объясняется сепарацией частиц угольного материала в
воздушной среде по плотности и крупности одновременно (а не только по
размеру как при грохочении). Причем и в ВДК, и в отделителях с
кипящим слоем наиболее легкие в аэродинамическом отношении
частицы выделяются из кипящего слоя материала и представляют собой
готовый продукт, а более тяжелые, содержащие минеральные примеси и
микрокомпоненты группы инертинита, возвращаются в цикл дробления-
сепарации до тех пор, пока не приобретут необходимых аэродинами-
аэродинамических характеристик. Крупные классы шихты в этом случае форми-
формируются из угольного материала наименьшей плотности, обогащенного
легкими витринитовыми фракциями и липтинитом.
238
7. Новые сткобы пойлтктк» y.-:teti к коксованию Аи действующ** производств
Таблица 7.8
Результаты коксования угольных шихт
Шихта
1
2
3
4
5
6
Способ
подго-
подготовки
дш
ИД
ГДК
ВДК
ДШ
ид
ВДК
дш
ид
ВДК
дш
вдк
дш
ид
вдк
дш
вдк
Прочность кокса
остаток в
большом
бараба-
барабане, кг
309
315
307
319
314
313
324
316
316
329
306
320
309
305
324
315
323
классы (мм) в провале, кг
>25
35
34
41
32
35
28
30
31
31
27
34
28
37
35
30
40
39
25-10
8
7
10
7
9
7
7
7
7
8
8
6
7
7
5
7
7
<10
58
54
52
52
52
62
49
56
56
46
62
56
57
63
51
48
41
М25, %
82,0
83,0
84,0
85,0
84,0
83,3
86,0
83,3
82,2
85,8
82,5
83,2
83,2
82,3
86,0
85,3
86,8
МЮ, %
14,1
13,4
12,6
12,2
12,3
14,0
11,2
13,6
14,5
11,6
15,1
15,0
13,8
14,0
11,8
11,5
9,9
I
Так, избирательное измельчение шихты из донецких углей в ВДК
позволяет увеличить количество витринитовых частиц плотностью <1300
кг/м" в крупных ее классах (> 6 мм) от 40-60 до 75% и уменьшить
содержание породы в них от 3-5 до 1% (см.рис.7.16 ). Характерно, что
¦прочность кокса возрастает при избирательном измельчении пропор-
пропорционально разнице в содержании легкой фракции в крупных классах
шихты, подготовленной другими способами. Например, количество
частиц плотностью < 1300 кг/м' в классе > 3 мм шихты составило при
подготовке ее по схеме ГДК 52, ДШ 60, ИД 66, ВДК 72%, а прочность
кокса по остатку в большом колосниковом барабане, соответственно, 307,
309,315 и 319 кг.
Зависимость прочности кокса от содержания крупных частиц
несколько сложнее, однако общая закономерность сохраняется: чем
больше породных зерен, тем, естественно, ниже прочность.
7. /. И&птяелыюе шиельченш игиг* с л
1
1300
V
к:
с!
в
74
72
70
\
\\
<a J
8
1
30
26
22
18
-
-
/
\
\
5
I
\у4
\
\
\
1 \
1
(б
V
J
П"относью
240
сованию <).чя действующих гцюи
7.1. Июиратсшик иллшьчешту?;шп с пневматической сепарацией д кинмще.\1 cute
241
I
Избирательное измельчение с пневматической сепарацией
индийских углей
Индия располагает большими природными запасами каменного
угля, однако ресурсы коксующихся углей в стране ограничены. Между
тем, в связи со строительством на металлургических заводах доменных
печей большого объема, требуется кокс повышенной прочности.
Возникла необходимость применения более совершенной технологии
подготовки углей к коксованию методом избирательного измельчения с
пневматической сепарацией.
Характерная особенность индийских углей - средняя спекаемость,
петрографическая неоднородность, высокая степень минерализации
органической массы и дисперсность минеральных примесей, определяет
низкий выход и высокую зольность концентратов. В шихтах для
коксования используют угли разных стадий метаморфизма. Показатель
отражения витринита в них колеблется в пределах 0,7-1,4%. Широкий
диапазон изменения Rn.
Анализ качества типичных индийских углей по классам крупности
подтверждает целесообразность применения технологии избирательного
измельчения при подготовке шихт для коксования. В качестве примера в
табл. 7.9 дана полная технологическая характеристика хорошо коксую-
коксующегося угля группы "В" (по индийской классификации).
Крупные классы характеризуются наибольшей зольностью,
содержат наименьшее количество витринита, обладают худшей спекае-
мостью в сравнении с мелкими. При обычных способах измельчения
таких углей распределение вещественного состава угольного материала в
них не меняется. Напротив, происходит дальнейшая концентрация
наиболее твердой минерализованной части угольного вещества в круп-
крупных классах. Это же присуще и смеси углей - шихте, подготовленной по
обычной схеме. Из рис.7.17 видно, что в крупных классах шихты (> 6 и
6-3 мм) сосредоточены, в основном, породные частицы плотностью >
1800 кг/м\ являющиеся центрами внутренних напряжений в коксе [80].
При использовании метода избирательного измельчения с
.пневматической сепарацией характер распределения вещественного
состава по классам в готовой шихте коренным образом меняется.
Крупные классы менее зольны, содержат меньшее количество породных
фракций и больше чистого угольного вещества плотностью < 1400 кг/м' в
сравнении с мелкими классами и, кроме того, с теми же классами шихты,
подготовленной по обычной схеме (см.рис.7.17).
Состав и характеристика опытных шихт с преимущественным
содержанием индийских углей (80-85%) приведены в табл.7.10. Уровень
измельчения опытных шихт при подготовке по обеим схемам составлял
80% содержания класса <3 мм. Шихту варианта I испытывали также при
I
I
II
3 S
il
О ft-
I SI
1 *
м
* 1
2 3-
|5l?
а о
%
242
7. Hixihie аюсоаы тмУптшкаyr.ieit i
лнщиню r).ut действующих щмт
7.1. Им')щюте,1ыте мшаьчсчтс y,\iefi с пнеачатнческип vcnajxuftieu в кипящем смт
243
уровнях измельчения 75 и 85% (схема ДШ ) и 75%- при избирательном
измельчении. Коксование производили в динасовой печи ВУХИН при
периоде 16 ч, температуре в центре коксового пирога 1050 ± 10°С.
Показатели качества-среднеарифметические значения величин, получа-
получаемых от 5-6 параллельных испытаний.
Таблица 7.9
Показатели
Выход,%:
Технический анализ,%:
А1'
|/"
S',
Петрографический состав, %:
L
V,
м
In
Спекаемость и коксуемость:
У, мм
На, мм
SI
R1
GK
Действительная плотность.
г/см1
Классы крупности
50-25
7,6
29.4
28,8
0,50
3
41
22
6
28
12
5
1 <2
25
G
1,589
25-13
17,4
25,1
28,9
0,53
2
40
23
9
26
13
6
2'2
26
G
1,527
13-6
27,0
23,6
29.2
0,55
2
41
21
10
26
13
7
3
29
С,
1,514
6-3
11,8
22.0
29.1
0,57
1
45
18
5
31
13
9
3 '2
28
G
1.504
3-1
21.0
20,9
29,0
0,56
-
54
16
6
24
14
8
4
31
G
1.488
1-0,5
6,2
20,1
30.0
0,58
1
53
17
5
24
-
20
6
36
G,
1,503
<0,5
9,0
20.3
30.3
0,64
-
64
11
5
20
-
23
б.'з
39
G,
1,484
Таблица 7.10
Подготовка шихт методом избирательного измельчения улучшает
физико-механические свойства кокса (табл.7.11). Сопротивление кокса
истирающим усилиям по показателю М10 заметно возрастает: для кокса
из шихты 1 на 1,5 и 2-й - на 1,7% при одинаковом уровне измельчения
этих шихт.
Повышение уровня измельчения шихты, подготовленной по
обычной схеме, также приводит к улучшению качества кокса. Однако
кокс того же качества, что и из шихты I, подготовленной по схеме ДШ и
уровне измельчения 85%, может быть получен при подготовке ее
методом избирательного измельчения, но со снижением уровня измель-
измельчения до 75% содержания класса < 3 мм.
Варнянт
1
2
Состав шихты, %
Индийские угли:
А(хорошоспекающийся), 17,5
В(хорошококсующийся), 17,5
С(срелнеспекаю1цийся ),45.0
Импортный уголь D, 20,0
Индийские угли:
А-35;В-15;С-35;
Импортный уголь,О-15
Схема
подготовки
ДШ-1
ДШ-2
ДШ-З
ИД-1
ИД-2
ДШ
ИД
- 7
§"*
= 1
и
75
80
85
75
80
80
80
Технический анализ,
%
W,
6,0
5.8
6,1
6,1
А"
18,3
18.1
19,5
19,5
v<t,r
28,4
2S.7
28,7
28,7
Толщина
пластического
слои,мм
13
13
II
II
Таблица 7.11
Показатели
Технический анализ,%:
W
А"
Гранулометрический
состав,% по классам,
мм: >80
80-60
60-40
49-25
<25
Микум-барабан. %*
М40
М10
Средняя крупность, мм
Сфуктурпия
прочность. %:
1 lopncToci ь, %
Реакционная
способность, смVrc
Шихта 1
ДШ-1
0,4
23,2
0,8
42,7
30,8
13,9
4,2
8,4
74.3
14,3
81,6
80,3
52,0
0.60
ДШ-2
0,6
23,3
0,8
43,7
27.8
14,5
5,0
9,0
74,8
13,5
81,0
81,5
52,5
0,60
ДШ-з
0,6
23,4
0,6
45,6
26,5
14,6
3,9
9,4
75,0
12,9
80,8
83,3
52,9
0,70
ИД-1
0,5
23,4
0,7
44,9
27,3
14,1
4,9
8,8
75,0
12,8
81,8
83,5
52,5
0.60
ИД-2
0,5
23,4
0,7
45.5
28,8
14,2
4,1
7,4
75.4
12,0
81,3
83.fi
52,7
0,58
Шихта 2
ДШ
0,5
25,4
0,8
53,2
22.0
12,5
4,1
8,2
74,4
14,3
82,9
80,5
51.1
0.63
ид
0,6
25,5
0,8
51,6
25,4
11,9
4,0
7,1
74,8
12,6
82,7
83.6
51,6
0,64
244
7. Новые сгикооы тМлммвкнуичей к коксгмшнпнг Лш <)спанеукпцнх щмшиии\стн
7.2. Чехии.а>.ч1ч mtA'
H » коксочаппя частично б/ткат/росакишх шихт со
245
По результатам проведенных испытаний технология избира-
избирательного измельчения углей с пневматической сепарацией внедрена на
металлургическом заводе в г. Визакхапатнаме (Индия).
7.2. Технология подготовки и коксования частично
брикетированных шихт со связующим
В связи с неудовлетворительными тенденциями развития сырье^
вой базы коксования в России, частичное брикетирование углей со
связующим может стать, в перспективе, одним из основных средств для
получения кокса требуемого качества. Поэтому была поставлена задача -
в короткий срок подготовить научную базу, возобновить исследова-
исследовательские и проектно-изыскательские работы по осуществлению этой
технологии в опытно-промышленных условиях для проверки ее
эффективности, отработки основных стадий процесса и определения
рациональных границ внедрения на перспективу.
7.2.1. К теории коксования частично брикетированных угольных
шихт
Коксование частично брикетированных угольных шихт со
связующим представляет собой особый вид термического преобразо-
преобразования наполненных полимеров. Специфичность гетерогенного состояния
пиролизуемых угольных смесей в этом случае обусловлена присутствием
в них измельченных разнородных углей и массивных включений -
брикетов. Наличие связующего благоприятствует пластификации мате-
материала брикетов и повышает лиофильность их поверхности так же, как и
введение лиофильных добавок в наполненные полимеры, что способст-
способствует спеканию брикетов с вмещающей шихтой-матрицей. Их взаимодей-
взаимодействию благоприятствует тождественное возрастание реакционной
способности пиролизуемой массы, которая у всех углей достигает
максимума в узком температурном интервале термохимического
преобразования 400±25°С при скорости нагревания 3°С/мин [218].
Различие в составе материала брикета и матрицы и высокая
объемная плотность брикетов порождают соответствующие различия в
их тепловом состоянии и структуре, в изменении линейных размеров,
пористости и упругости. Вследствие этого, неизбежно возникновение и
развитие местных внутренних напряжений при отверждении (после
пластического состояния) брикетов и матрицы. Поэтому концентрация
брикетов в угольной засыпи должна быть не более некоторой величины,
превышение которой может снизить насыпную плотность загрузки.
нарушить равномерность структуры коксуемого массива, снизить
прочность кокса.
Практические наблюдения подтверждают, что для обеспечения
более высокой насыпной плотности частично брикетированной шихты и
достаточно хорошего качества кокса, получаемого из нее, особое
значение имеют состав брикетов и их количество в смеси. Форма и
размеры брикетов меньше влияют на данный процесс [219].
Можно предположить, что развитие напряженного состояния в
коксуемом массиве происходит различно, в зависимости от того,
изготовлены брикеты из той же шихты, что и матрица, или из шихты
другого состава - в основном, из слабоспекающихся углей. Соответст-
Соответственно, доли участия этих брикетов должны быть различны.
С учетом указанного был проведен анализ развития локальных
напряжений, подобно возникающим в элементарном объеме матричного
кокса, связанного с инородным включением как наполнителем [80]. Для
этого приняты следующие обозначения:
Vu, К,;-объемы, соответственно, матричной части угольной шихты
и брикетов, м"'; МЛ1 - масса матрицы, т; М,-, - общая масса брикетов, т; Кт
К,-, - долевое участие в коксуемом массиве, соответственно, матрицы и
брикетов; 5М/ - предельные термические напряжения, возникающие в
матричном коксе, Па; ?vu, Е„-, - модуль упругости, соответственно,
матричного кокса и кокса из брикета, Па; ?tll, sk,;— то же относительные
упругие деформации; рк,;- относительная усадка кокса из брикета; R -
коэффициент релаксации напряжений в матричном коксе (/? ~ 0,9).
Внутренние напряжения, возникающие в упругом теле полукокса-
кокса, в соответствии с законом Гука определяются из выражения
8ш=?к„еи,Д G.21)
Упругая деформация матричного кокса skl( зависит от упругой
деформации брикета ?„.,;как наполнителя, связанного при спекании с
матрицей, и от соотношения объема матрицы и брикетов, т.е.
б.^С,^) G-22)
Согласно уравнениям G.21) и G.22) условие сохранности кокса от
разрушения при пределе прочности* 8к„ выразится зависимостью
Выразив соотношение объемов масс матрицы и брикетов через
соотношение их концентраций и выполнив необходимые преобра-
246
faiH-ямукщих и/нт
7.1 Texuatttrwt тмХчтиюкп u кокаиштю частично а/ткетн/мшапньи мтжт at с
247
зования, получим зависимость, которую необходимо соблюдать для
поддержания прочности кокса из матрицы:
/У.и
G-23)
Упругая деформация представляет собой разность между свобод
ной и действительной усадкой. Последняя является стесненной, т.е.
средней усадкой всего макроскопического слоя полукокса-кокса.
Причем, предельная упругая деформация, вызывающая зарождение
трещин, может быть сравнительно небольшой (например, при растяже-
растяжении -0,5%, являясь лишь частью свободной усадки [I]).
Упругая деформация инородного включения зависит не только от
его относительного линейного изменения и свободной усадки Рм;. В
значительной мере она связана с жесткостью структуры (модулем
упругости) матричного кокса и кокса включения, т.е. соотношением ?„,
/?„- [80]. На состояние массы коксуемой загрузки упругая деформация ее
брикетированной части будет оказывать тем большее влияние, чем выше
концентрация последней. Поэтому в реальных условиях упругая
деформация должна быть представлена таким выражением
G-24)
Коксобрикет упруго воздействует на массу матричного кокса ,
тех пор, пока напряжение последнего не превысит предел прочности, а
деформация - предельную деформацию на разрыв. Поэтому
максимальная упругая деформация коксобрикетов ограничивается
отношением
Р„,,Ф=5.„/?„, G.25)
После выполнения необходимых преобразований получим зависи-
зависимость для определения предельно допустимой концентрации брикетов в
коксуемой массе (доли ед.)
^=(?,л,;я-?.л„) ?„У„* G-26)
Для проверки расчета использованы данные, полученные при
коксовании угольных шихт Череповецкого A) и Нижнетагильского B)
металлургических комбинатов в полузаводских условиях.
В шихте 1 было уменьшено количество жирных углей Печорского
бассейна (с74 до 58%) и увеличено (до 20%) - печорских меньшей
спекаемости ш."Воргашорская"; были использованы также угли марки
СС разреза им.50 лет Октября E-10%). Спекаемость шихты харак-
характеризовалась толщиной пластического слоя У = 16-17 мм. Брикеты
готовили из этой же шихты. (Без брикетов получали кокс с показателями
М25=86и МЮ= 11,6%).
Шихта 2 - обычная производственная из кузнецких углей (Y=I7
мм). В нее вводили брикеты из шихты состава: Г17-30 и СС-70%.
Плотность брикетов составляла 1,2 t/cmj, насыпная плотность вмещаю-
вмещающей шихты 0,72 г/см'. Кокс из вмещающей шихты и из брикетов был
получен раздельно по ГОСТ 9521-74 при конечной температуре Ю00°С.
Образцы кокса характеризовались показателями модуля упругости
(табл.7.12).
Таблица 7.12
Коксуемый материал
[(мешающая шихта
(матрица)
Брикеты
Вметающая шихта
(матрица)
Брикеты
Шихта
1
2
П7 30%-К:С70%
Доля брикетов
0,39
0,26
Модуль упругости
МПа
1420
1290
1390
1540
Найденное соотношение модулей упругости кокса из брикетов и из
матрицы характерно для условий компановки шихт. Для смеси брикетов
и матрицы из одной и той же шихты (I) модуль упругости кокса из
брикетов оказался меньше, чем у кокса из матрицы. Обратное
соотношение получили при введении брикетов из смеси углей Г17 и СС: в
этом случае модуль упругости кокса из брикетов больше. Это
объясняется их низкой спекаемостью, что позволяет снизить вспучивание
при коксовании и сохранить более высокую плотность, жесткость и
упругость. Отсюда - предельная массовая доля таких брикетов в
угольной загрузке по расчету должна быть 25-30%, то есть значительно
меньше возможного участия в загрузке брикетов из матричной шихты.
Полузаводские коксования проводили в динасовой печной камере
шириной 410 мм. Температура обогрева обеспечивалась на уровне,
принятом в промышленных печах A320-1350°С). Результаты коксования
обеих шихт согласуются с расчетными данными (табл.7.13).
Аналогичные результаты были получены на Украине при
брикетировании только слабоспекающейся части шихты из донецких
углей: при введении 25% брикетов был получен кокс более высокой
прочности, по сравнению с коксом из шихты с участием тех же брикетов в
количестве 35 и 46%.
Таким образом, расчетным путем можно определять предельную
(рациональную) концентрацию массы брикетов в угольной загрузке,
248
7. Новые с'шк:сюы подготовки ул/ei) к какиоваппю t\gt Леиствушщнх
7.2. Гехпашгия ткХчтюекм и коксоаанчн частнчт п/нилчин/мшишых шихт сп
249
соотносительно составам брикетируемой части шихты и вмещающей
(матрицы).
Таблица 7.13
Состав вмещающей
шихты, %
Количества
брикетов в
шихте,%
Прочность кокса,Vc
М25
М10
Брикеты из шихты 1
1 100
75
50
0
25
50
86,1
87,1
88,0
11,4
10,1
8,7
Брикеты из шихты Г17 30% +СС 70%
2 100
70
0
30
85,1
85,6
10,7
10,8
Брикеты из шихты Г17 20%+ Г6 20% + СС 60%
2 100
80
70
0
20
30
85,1
85,8
84,4
10,7
10,8
10,7
Показатели
Состав смеси, %:
шихта
брикеты
Плотность, ki/m
Разница, %
То же, на сухое, %
1
100
780
-
-
2
90
10
798
2.3
3,1
3
70
30
832
6.6
9,1
Зарианты iiiiivi
4
60
40
868
10,0
14,7
5
50
50
882
13,0
17,4
6
30
70
878
12,5
16,6
7
10
90
798
2,3
9,3
8
0
100
708
-9,3
-2,4
Испытание частично брикетированных шихт в полузаводских
условиях
Получение брикетов из угольных шихт со связующим
осуществлялось на полузаводской брикетной установке производи-
производительностью 2,5 т/ч. Давление прессования 150-200 кг/см2, размер
получаемых брикетов 55x45x37 мм, масса 55 г, плотность 1,20-1,25 t/cmj.
В качестве связующего использовали каменноугольный среднетемпе-
ратурный пек, смолу, нефтяные крекинговые пеки, битумы, мазуты и др.
в количестве 8-10%.
Таблица 7.14
Плотность насыпной массы частично брикетированных шихт
При помощи лабораторного аппарата емкостью 50 л определяли
плотность насыпной массы смесей угольной шихты производственного
измельчения (-75% класса < 3 мм) с разным количеством брикетов
(табл. 7.14).
Испытание частично брикетированной производственной шихты
Нижнетагильского меткомбината
Характеристика шихты для брикетирования и получения смесей:
уровень измельчения 75% класса < 3 мм, зольность 9,4%, выход летучих
веществ (К'"') 27,1%, толщина пластического слоя 16 мм.
Увеличение долевого участия брикетов в шихте повышает ее
спекаемость, растут разовая загрузка и, в несколько меньшем темпе,
период коксования (табл.7.15). Улучшаются механические свойства
кокса: уменьшается средняя крупность, возрастает прочность. Наиболь-
Наибольший эффект проявляется в сопротивлении кокса истирающим усилиям.
Так, для кокса, полученного из смеси с участием 50% брикетов,
содержание класса < 10 мм в провале снизилось до 33 кг, а показатель
М10 - до 9,5 %. Наибольшую плотность в камере имеет такая же смесь.
Но по опыту коксохимических предприятий Японии, вводить такое
количество брикетов в шихту опасно, так как образующееся при ее
коксовании давление распирания превышает опасные для эксплуатации
печей значения. Не имея прямых измерений этого показателя, следует
принять, в первом приближении, добавку к шихте до 30% брикетов.
Испытание частично брикетированных угольных шихт с участием
слабоспекающнхся углей
Использование слабоспекающихся углей при коксовании частич-
частично брикетированных шихт возможно в следующих вариантах.
1. Ввод в состав шихт слабоспекающихся углей с последующим
брикетированием части отощенной шихты
2. Брикетирование только слабоспекающихся углей и их смесей.
3. Брикетирование слабоспекающихся углей с добавкой некото-
некоторого количества спекающихся, входящих в состав исходной шихты, или
привлекаемого в качестве дополнительного компонента.
Проведены опытные коксования частично брикетированных шихт
с использованием слабоспекающихся углей ш.им.7 Ноября (Г6) и разреза
им.50-летия Октября (СС). В качестве спекающего компонента, вводи-
вводимого при брикетировании, применяли уголь ш.Распадской (П7).
Основой для смесей была принята производственная шихта Нижне-
Нижнетагильского меткомбината. Основное связующее для получения брикетов
-среднетемпературный каменноугольный пек.
250
7. Нчвые cHtK-аоы тмХчтиткиyf.ieb к ктляжачню Аш АиЬстаучщнх nptwjanikmii
Таблица 7.15
Результаты коксования угольной шихты НТМК с брикетами
Показатели
1. Качество смеси
Технический анализ, %:
А"
ydilf
Толщина пластичсск'ого слоя, мм
2. Условия коксования
Разовая iaiручка, кг
Период коксования, ч
Разовая шгрузка, %
Период коксования, %
3. Качество кокса
Технический анализ,%:
А"
Гранулометрический состав (%)
по классам, мм:
>80
80-60
60-40
40-25
Средний размер, мм
Прочность:
по большому барабану, кг.
остаток
класс < 10 мм
по малому барабану,%:
М40
М25
МК)
Количество брикетов в смеси, %
0
9,4
27,1
16
200
14,50
100
100
12,3
1,0
45,8
33,8
14,6
5,8
74,1
313
48
76,1
- -
12.0
10
9,2
27,3
17
205
14,70
103
102
12,1
1,0
45,0
32,2
16,6
6,2
73,4
315
41
77,0
-
11,4
30
9,1
28,1
17
220
15.20
МО
104
12,5
0,9
39,3
35,6
18,3
6,8
71,7
315
37
75,4
-
10,3
so
9,0
28,0
18
230
15,50
115
108
12,2
1.0
36,3
36,6
19,5
7,7
70,5
316
33
74,7
-
9,5
60
9,2
28,4
18
235
15,00
118
103
12,1
1,1
48,0,
28,7
17,3
6,0
73,9
314
33
-
84,5
9,7
При коксовании шихт только из слабоспекаюшихся углей во всех
случаях получены отрицательные результаты: не удалось достигнуть
качества кокса, близкого к исходному уровню (табл.7.16). Но достаточно
ввести в состав брикетируемой смеси 20% угля ш.Распадская и прочность
кокса достигает исходного уровня. Увеличение количества брикетов в
7.2. Геятття ткушишки и мгканютш частично щткетщюаштш ntlixm со
251
шихте до 30% способствует дальнейшему упрочнению кокса. Наилучшие
результаты получены в случае применения брикетов изсмеси,%: Г17-29,
Г6-20 и СС-60. Данное исследование показывает возможность центра-
централизованного изготовления брикетов.
Поскольку окончательная отработка всех элементов технологии
должна быть выполнена в опытно-промышленных условиях, проверена
ее эффективность для условий производства, где предполагалось ее
осуществление. Не приводя анализа, послужившего основанием для
размещения первой опытно-промышленной установки, отметим, что
таким объектом был выбран комплекс коксовых батарей №№ 5 и 6
Орско-Халиловского меткомбината (ОХМК).
Таблица 7.16
Результаты испытания шихты НТМК с брикетами из слабоспекающихся
углей и с добавкой хорошоспекающихся
СЕ
3*
З'й
ей
100
80
80
70
70
70
Брикеты
количество,
0
20
20
30
30
30
Состав, %
Г17
-
-
20
20
20
30
Г6
-
50
40
40
20
-
ее
-
50
40
40
60
70
А",
%
9,0
8.5
8,3
8,4
8?
8,0
Vd"r,
26,7
27.8
27,9
28.1
VI
26,0
Y,
мм
17
16
17
17
15
14
Период
коксовя пин, ч
14,5
14,8
14,8
14.8
14 8
14,7
Качество кокса
А",
%
12,6
1 1,'3
12,0
1 1,9
12,0
11,8
Ситовый анализ, %
классы, мм
>80
52,5
42,1
44,5
44,8
42,1
39,6
80-
60
26,3
33,3
32,3
30,4
31 ?
36.1
60-
40
15,7
18,2
17,5
18,4
149
18,1
40-
25
5,5
6,4
5,6
6,4
68
6,2
Проч-
иость,%
М25
85,1
82,4
85,8
84,4
85,4
85,6
VI10
10,7
13,6
10,8
10,6
10,0
10,2
Состав и характеристика компонентов перспективной шихты I
приведены в табл. 7.17. Состав второй шихты отличался тем, что в нее
i было введено 20% слабоспекающихся углей ш.им.7 Ноября и разреза
1 им.50-летия Октября, взятых в соотношении 40:60.
I В шихту I добавляли брикеты из этой же шихты и из смеси углей
Г17 и СС в соотношении 30:70, в шихту 2 добавляли полученные из нее
же брикеты.
Наилучшие результаты достигнуты при коксовании шихты с 30%
брикетов из исходной шихты I, состоящих из смеси углей Г17 и СС.
Частичное брикетирование углей и их введение в состав коксуемой
загрузки положительно влияет на качество кокса (табл. 7.18).
252
7. Новы* способы цмХгтнмкн yr.wit к коксованию Aim Аейсмшующих щюимпгк-тв
Таблица 7.17
Характеристика компонентов и состав шихты ОХМК
7.2. Таптигия шнХчтннки и нгиаплшня часпшчш! арнкетн/ммшнпых шихт cti аииуюи/пи
Уголь, марка
ЦОФ Беловская, 1Ж26
Концентрат ЗСМК
ОФ Саранская, КЖ
ОФ 0 лет Революции", К
Количество,
%
30
15
20
35
Технический анали 1,
%
А"
11,2
7,8
8,9
10,8
V*"
35,6
19,8
28,8
25,6
Пластомстрические
показатели, мм
X
36
17
24
Y
31
8-10
20
12
Таблица 7.18
Результаты испытания перспективных угольных шихт ОХМК
Частично брикетированная шихта
Вмещаю-
Вмещающая
шнхтя,
%
Шихта 1,
100%
Шихта 1,
70%
Шихта 1,
70%
Шихта 2,
100%
Шихта 2,
70%
Количество
брикетов, %
(состав), %
-
И) шихты 1,
30%
30% (Г 17-30,
СС-70)
-
Ит шихты 2,
30%
А"\
%
10,4
10,2
9,7
9,3
9,4
Vй,
%
28,7
28,9
28,7
28,6
29.8
Y,
мм
18
19
17
15
16
Период
коксования, ч
14,8
157
16,3
14,8
1ST
Качество кокса
А",
%
13,7
13,1
13,0
12,7
12,8
Ситовый aiui.ui >,%,
классы, мм
>80
47,2
43,5
45,8
40,5
33,6
80-
60
33,1
3S6
32,8
35,4
38 <;
60-
40
15,0
167
16,3
18,6
71 9
40-
25
4,7
47
5,1
5,5
6 0
Прочность,
%
М25
85,7
87.0
86,0
82,3
85,8
МЮ
12,0
96
10,4
14,2
11 0
Испытание частично брикетированной угольной шихты в
промышленных условиях
Важность и необходимость изучения особенностей процесса
подготовки, загрузки и коксования частично брикетированных угольных
шихт в промышленных условиях определяется некоторыми эксплуата-
эксплуатационными и технологическими ограничениями: сегрегацией вмещающей
шихты и брикетов при загрузке печной камеры, давлением распирания,
горизонтальной и вертикальной усадкой загрузки, возможностью дости-
достижения равномерной готовности коксового пирога, усилием его при
выдаче, сохранностью кладки печной камеры и др.
Впервые работа по промышленному коксованию шихт с брике-
брикетами на связующем выполнена на коксовой батарее системы ПК с
9 10 11 12 13 14 8 9 10 11 12 13 14 8 9 10 11 12 13 14
Время от начала коксования, ч
Рис. 7.18 Динамика среднетвешенных температур в коксуемой зсиручке шихты: I с 15%
брикетов; 2.3- с 30% брикетов: а - первый люк; б - третий люк: в -усредненные данные по
первому и третьему люкам.
.3
A2
V
\
\
\ i
i
i
i
i
i
i
1
<
i
i
i
i
i
(в
800
1000
1200 800
1000
1200 800
1000 1200
Температура. °С
piic 7.19 Распределение температур в oceeoii плоскости коксового пирога: и первый люк:
6 ^ «торой люк: в-средние данные; I - производственная шихта: 2-е 15% брикетов: 3 с
¦><'% брикетов.
254
7. HtKibte auKihiitt пиАчтнткнуглей к utiKCotuiintKi Attt tteficMiayitnitin н
объемом печных камер 20 м3 Нижнетагильского меткомбината [220]. Для
этой цели была изготовлена опытная партия брикетов на 3 печных
коксования шихт с 15 и 30%-ным их участием. Методика подготовки
шихты полностью исключала сегрегацию ее в бункерах углезагрузочного
вагона. Для коксования была выбрана печная камера, имеющая
удовлетворительное состояние кладки и обогрева.
Состав производственной шихты,%: П7+К10-22; 1Ж26-23;
КЖ14+К-39 и K2+KI0-I6. Брикеты были получены также из производ-
производственной шихты.
Таблица 7.19
Характеристика загрузки, коксования и выдачи кокса
т
I
Показатели
1. Загрузка
Состав,%: шихта
брикеты
Разовая загрузка шихты(на
сухое), т
Плотность насыпной массы, т/м1
Прирост, %
2. Условия коксования
Температура обогрева,°С:
машинная сторона
коксовая сторона
Конечная температура,°С
Период коксования, ч
Прирост периода коксования,%
3. Выдача кокса
Масса коксового пирога, т
Прирост массы,%
Усилие на выталкивающую
штангу:
сдвиг, а
то же, %
ход, а
то же, %
№№ опыта
0
100
-
15,0
0,750
-
1337
1365
-1000
14,00
0
11,70
-
220
0
190
0
1
85
15
16,2
0,810
8,0
1332
1359
992
14,25
1,8
12,64
8,0
240
109,1
200
105,3
2
70
30
17,1
0,855
14,0
1336
1366
986
14,60
4,1
13,40
14,0
260
118,2
220
115,8
3
70
30
17,0
0,850
13,3
1340
1369
994
14,75
5,4
13,30
13,0
280
127,3
200
105,3
7.2. Гехгихиичш гкмХъиишкн и коксочапня частично ('цлжетнржанных шихт at
255
С увеличением участия брикетов в шихте скорость роста
средневзвешенной температуры под первым люком несколько возросла,
тогда как под третьим - наоборот, снизилась. По усредненным данным
различия в скорости подъема средневзвешенных температур загрузки из
шихт с 15 и 30% брикетов незначительны (рис.7.18). Но отмечена
особенность распределения конечных температур по высоте коксового
пирога: при коксовании производственной шихты достигается высокая
равномерность прогрева, тогда как с увеличением участия брикетов в
шихте возрастает разница между уровнями 2,1 и 3,2 м и ухудшается
прогрев всей верхней части (рис. 7.19). Для повышения равномерности
прогрева коксового пирога на коксовых батареях системы ПК необхо-
необходима перерегулировка гидравлического режима с целью вытягивания
факела горения. Этот вопрос легко решается на батареях системы ПВР,
особенно с нижним подводом отопительного газа.
Изменился характер усадки загрузки при коксовании частично
брикетированных шихт. Если кривую усадки обычной производственной
шихты можно разделить на характерные участки (см.разд.4.3), то на
кривых усадки шихты с брикетами этого сделать невозможно: отмечается
постепенное плавное снижение верхнего уровня. Загрузка из шихты с
15% брикетов имеет общую величину вертикальной усадки на 100 мм
меньше. Увеличение количества брикетов в шихте до 30% приводит к
дальнейшему уменьшению усадки до 205-210 мм, что на 40% меньше,
чем у производственной шихты.
Требуемая готовность кокса достигается при увеличении периода
коксования шихты с 15% брикетов на 15-20 мин., с 30% брикетов на 45
мин.(табл.7.19). С учетом увеличения разовой загрузки и выхода кокса из
печи, прирост производства составит при коксовании шихт: с 15%
брикетов - 6%; с 30% брикетов - 9%. Усилие при выдаче кокса возрастает
пропорционально увеличению массы коксового пирога.
При добавке в шихту 15-30% брикетов произошло незначительное
укрупнение кокса (табл.7.20), показатели прочности изменяются в разной
мере. Так, в сравнении с коксом из производственной шихты, показатели
М25, Кп, Г" и содержания класса < 10 мм в провале большого барабана
улучшаются пропорционально доле участия брикетов в шихте.
Таким образом, по результатам промышленного испытания можно
сделать однозначный вывод о том, что при введение в угольную шихту
НТМК до 30% брикетов прочность кокса возрастает, что не противоречит
данным, полученным зарубежными исследователями [221-224].
256
7. Новые анкапы иаЛчиммкн yr.ieit к кпксааанто Ант действующих пртавидств
7.2. Тех\ю:югт шмХчнншки и коксехигппя часятчш! брыкеяицххшш/ых uinxm at сюиукхции
257
Таблица 7.20
Качество кокса из частично брикетированных шихт
Показателя
Технический анализ,%:
W
А"
V**
Гранулометрический состав (%),
по классам, мм:
>80
80-60
60-40
40-25
25-0
Средний размер кусков,мм
Коэффициент однородности
Прочность кокса:
по большому барабану,кг:
остаток
класс <10 мм
по малому барабану,%:
М25
М10
Кп
по К.И.Сыскову
П, К! об/дм2
г
0
_
7,0
11,8
0,9
9,4
34,8
44,5
8,1
3,2
59,6
3,91
309
40
83,5
9,2
64,4
6,67
226
,Y°JV? опыта, доля
1
15
5,7
11,6
0,9
12.0
33,4
44,0
8,0
2,6
60,3
3,80
315
40
82,4
9,3
65,2
6,76
229
брикетов, ¦
2
30
5,8
11,7
0,9
11,0
36,4
43,3
7,3
3,0
60,5
3,90
311
36
85,7
7,6
66,8
7,64
238
/а
3
30
4,3
11,5
1,0
11,6
35,3
41,9
8,3
2,9
60,6
3,81
314
34
85,3
8,4
66,3
7,26
235
Результаты лабораторного исследования кокса показали сле-
следующее (табл. 7.21).
Элементный состав кокса практически не изменился. С увели-
увеличением доли брикетов растет кажущаяся плотность, снижаются
пористость и удельное электросопротивление. Возрастает модуль
упругости и, следовательно, объемные внутренние напряжения, но |
одновременно повышается предел прочности на разрыв. При добавке »
брикетов в количестве 15% этот показатель изменился незначительно, ;
поэтому термическая устойчивость кускового кокса, оцениваемая
отношением \ар\: Е, уменьшилась. Структурная прочность кокса растет,
однако, исключение составляет кокс из шихты с 15% брикетов: в
холодном состоянии она осталась на уровне производственного кокса, а
при нагревании уменьшилась. Реакционная способность и газопро-
газопроницаемость пористого тела уменьшились.
Таблица 7.21
Анализ структуры кокса из частично брикетированных шихт
Показатели
Элементный анализ, %:
С"
н"
N"
S"
О"
Плотность, г/см1:
действительная
кажущаяся
Пористость, %:
Удельное электросопротивление,
ом мм2/м
Модуль упругости, МПа
Предел прочности, МПа:
на разрыв |о;:|
на сжатие \а ,|
Термоустойчивость
(отношение |а):?-10')
Реакционная способность, мл/(гс)
Структурная прочность,%:
при 20°С
при 900°С
Газопроницаемость пористого тела
кокса, мкм2
0
-
97,72
0,44
1,12
0,70
0,02
2,002
1,012
49,1
1150
1530
4,24
14,87
2,76
0,61
87,9
87,8
4,63
jN«JV« опыта, доля
1
15
97,60
0,38
1,36
0,63
0,03
1,981
1,020
48,5
1150
1600
4,28
14,78
2,67
0,50
88,0
87,2
3,12
брикетов, %
2
30
97.98
0,39
0,92
0,70
0,01
2,001
1,076
46,2
1049
1610
4,75
16,56
2,95
0,40
88,9
88,4
1,55
3
30
97,90
0,39
1,06
0,64
0,01
1,998
1,063
46,8
1084
1652
4,98
18,38
3,02
0,42
88,6
88,0
2,38
Отмеченное дает основания считать, что частичное брикети-
брикетирование угольной шихты является эффективным средством улучшения
качества кокса. Промышленный эксперимент подтвердил возможность
применения указанной технологии. Необходимо разработать мероприя-
мероприятия по улучшению равномерности прогрева коксового пирога по высоте,
258
?. Немые смкчты под.чмиткиуглей к тксгншшип д.ш Аепспмуияцых щмм
7.2. /ехшкмк'мя ши\,чии1ткы и кинсчншчия час
х mttxm en *.vmjvhhi(U.u
259
устранению вредного влияния уменьшения вертикальной и горизон-
горизонтальной усадки на эксплуатационные характеристики коксовых печей.
Избирательное измельчение углей перед их частичным
брикетированием
Как уже было показано, и избирательное измельчение с пневмо-
сепарацией в кипящем слое, и частичное брикетирование являются
эффективными методами улучшения коксуемости угольных шихт. В
связи с перспективой внедрения этих методов, представляет практи-
практический интерес получение данных об эффективности их сочетания.
Такая работа была проведена в полузаводских условиях в два
этапа. Вначале изучали влияние на показатели прочности кокса
избирательного измельчения брикетируемой части угольной шихты. На
втором этапе избирательному измельчению подвергали как брикети-
брикетируемую, так и небрикетируемую части шихты. В обоих случаях процесс
осуществляли в вентилируемом дробильном контуре, который модели-
моделирует промышленные установки избирательного измельчения с пнев-
мосепарацией.
Объектами исследований служили перспективные шихты коксо-
коксохимических предприятий Востока России. Связующим на первом этапе
был мягкий пек (8% от брикетируемой смеси) с температурой
размягчения 35°С по К и Ш, на втором - нефтяное связующее с
температурой размягчения 38°С G% от брикетируемой смеси).
Содержание брикетов в шихте для коксования в обоих случаях
составляло 30%.
Угольные шихты, подготовленные разными способами, коксовали
в динасовой печи конструкции ВУХИН. Температура поверхности стен
со стороны нагревателей составляла 1210±Ю°С, а в центре коксового
пирога перед выдачей 10Ю±10°С; период коксования обычных и
частично брикетированных шихт был соответственно равен 15 и 16 ч.
Кокс после выдачи тушили мокрым способом и опробовали стандарт- •
ными методами. При сравнении результатов принимали доверительную
вероятность 95%.
На первом этапе исследовали шихту, у которой составы
брикетируемой и небрикетируемой частей различались. Небрикети-
руемая часть (вмещающая шихта) имела следующий марочный состав,%:
кузнецкие угли -Ж 23, К 15, К2 10; карагандинские угли - КЖ 17, К 35.
Брикетируемая часть шихты состояла из кузнецких углей, %: П7 30 и СС
70. Таким образом суммарный состав угольной части частично
брикетированной шихты,%: кузнецкие угли - Г17 8,5; Ж 16,5; К 10,6; К2
7,2; СС 20; карагандинские угли - КЖ 12,2; К 25. Брикетируемую часть
подготавливали тремя способами: дроблением шихты (ДШ), избира-
избирательным измельчением (ВДК) и дифференцированным дроблением
компонентов (ДДК). Уровень измельчения составлял ~ 85% содержания
класса <3 мм; при подготовке методом ДДК газовый уголь измельчали до
75 %, слабоспекающийся - до 90% содержания класса < 3 мм. Вме-
Вмещающую шихту подготавливали методом ДШ, уровень ее измельчения
составлял -78% содержания класса < 3 мм. Для сравнения с результатами
коксования частично брикетированных шихт были проведены коксо-
коксования вмещающей шихты, подготовленной по схеме ДШ без брикетов.
Показатели качества шихт для коксования приведены в табл. 7.22.
Таблица 7.22
Шихта
Вмещающая
Кри котируемая:
бет связующего
со снятуютим
Тсхпи
»',
5,6
-
-
ческий iiiiii.ini, %
А'
11,3
7,6
0,9
,//,</
26,5
24,3
26,8
1 l.iiici (iMoi рнчсскве
ПИКИ 1.111.111. UM
А'
36
-
35
Y
16
-
10
Таблица 7.23
Иокшятелн
Технический амали i, %:
,!¦'
Содержание (%) классов,
мм: >80
80-60
60-4A
40-25
< 25
Средним ргпчер кусков ( ' 25 мм) мм
Прочное м>. %:
М25
МЮ
Кокс и 1 vri.i
бег
брикетов
15.3
OS
41.3
33.8
15.9
4.3
4.7
73.6
85.4
11.6
с брикетами, подготовленными из
смеси но схеме
ДШ
13,5
0.7
37.3
35.6
18.1
4.8
4.2
72.1
85,6
11,5
лдк
13,5
0.6
39,6
33.7
17.4
4.9
4.4
72.7
85.8
11,4
ВДК
13.5
0,8
39.1
33,3
18.3
4.9
4.4
72.4
86.6
10.9