Возможность улучшения качества кокса вне печной камеры

Д.А. Мучник, В.И. Бабанин






Возможности улучшения качества кокса вне печной камеры

Учебно-практическое пособие






Инфра-Инженерия Москва

2014

УДК 662.749.2
ББК 35.51
      М92

      Мучник Д.А., Бабанин В.И.
М 92 Возможности улучшения качества кокса вне печной камеры. - М.: Инфра-Инженерия, 2014. - 368 с.

ISBN 978-5-9729-0071-8

   В книге рассмотрены развитие и перспективы технологии каждого из процессов, происходящих на пути от выдачи кокса из камер коксования до становления товарным продуктом. На основе современной теории влияния термических и механических нагрузок на прочность кокса описаны возможные пути улучшения качества с позиций потребителя, вплоть до получения кокса заданных состава и прочности, а также повышения стабильности качества. Описаны разработанные авторами новые технические решения процессов тушения, сортировки и механической обработки кокса, с учетом проблем экологии, энергосбережения и оптимизации экономики. Даны примеры решения некоторых производственных задач с использованием компьютера.
   Книга адресована работникам коксохимических и металлургических предприятий, сотрудникам научных и проектных организаций, связанных с производством и потреблением кокса, будет полезна студентам вузов и техникумов при изучении технологии производства и переработки твердого топлива, а в ряде случаев при написании рефератов, курсовых и дипломных работ.



Технический редактор
Загайнов В.В.

Подписано в печать 05.10.2013. Формат 84х108/32. Бумага офсетная. Гарнитура «Прагматика».
Объем 14 печ. л. Тираж 500 экз. Заказ №

Издательство «Инфра-Инженерия»
Тел.: 8(911)512-48-48 E-mail: Infra-e@yandex.ru www.Infra-e.ru



Издательство «Инфра-Инженерия» приглашает к сотрудничеству авторов научно-технической литературы.




                © Мучник Д.А., Бабанин В.И., авторы, 2014
                © Издательство «Инфра-Инженерия», 2014


ISBN 978-5-9729-0071-8

                Сведения об авторах





   Мучник Дамир Абрамович, доктор технических наук, профессор, стаж работы на коксохимических заводах гг. Алчевск, Кривой Рог, Днепропетровск более 10 лет. Преподавательская и научная деятельность (доцент, профессор, зав. кафедрой «Химическая технология твердого топлива») в Днепродзержинском индустриальном институте (ныне Государственный Технический Университет (ДГТУ) - 35 лет. Директор и научный руководитель ООО «Технологии топлива» (Израиль) - 5 лет. Самостоятельно и в соавторстве издано 7 книг в разных


издательствах. Опубликовано 120 статей по данной и сопряженной тематике, в основном в журнале «Кокс и химия», ав


торских свидетельств и патентов - 27.


   Бабанин Владимир Иванович, доктор технических наук, стаж работы на коксохимических заводах Украины (гг. Днепропетровск, Кривой Рог) от рабочего до начальника технического отдела -23 года. Старший научный сотрудник, научный консультант ВУХИН (ныне ФГУП ВУХИН). Стаж работы в ВУХИНе - 26 лет. Самостоятельно и в соавторстве опубликовано в разных периодических изданиях 50 статей по данной и сопряженной тематике, авторских свидетельств - 11, патентов - 5.

Возможности улучшения качества кокса вне печной камеры









                Предисловие




   В развитии коксохимической промышленности основными задачами являются повышение качества кокса, используемого металлургией, и улучшение технико-экономических показателей его производства. Основным способом производства черного металла на сегодняшний день и еще долгое время будет оставаться доменное производство. Отсюда задачи совершенствования и интенсификации существующего коксового производства остаются актуальными. Особое место в комплексе задач и проблем коксохимической промышленности занимает энергосбережение, использование вторичных энергетических ресурсов и экологичность производства.
   Многолетняя практика наметила пути и направления, обеспечивающие получение кокса высокого качества и интенсификацию отдельных технологических звеньев и производства в целом. Многое, что могло быть сделано для этого в области совершенствования технологии подготовки шихты и коксования, уже выполнено.
   Разработаны прогрессивные методы обогащения углей и усреднения при складировании, методы составления угольных шихт и ее подготовки с оптимальным и избирательным дроблением, уплотнением и трамбованием, а также термоподготовкой и частичным брикетированием. Разработаны и продолжают совершенствоваться конструкции коксовых печей, системы обогрева и температурные условия коксования. На многих коксохимических предприятиях (КХП) внедрены установки сухого тушения, исследованы элементы влияния коксосорти-ровки на характеристики физико-механических свойств.
   Выполненные научные и проектные разработки новых технологий, их внедрение и исследование позволили накопить значительный опыт в вопросах защиты окружающей среды на различных этапах коксохимического передела.

4

Предисловие

   Тем не менее, удовлетворение повышенных требований к качеству кокса и обеспечение экологической безопасности коксохимического производства до настоящего времени остаются одной из важнейших проблем отрасли. Поэтому вопросы улучшения свойств кокса и защиты окружающей среды вне камер коксования, организация целенаправленного формирования их в процессе подготовки для технологического использования в металлургии не теряют свою актуальность.
   Коксохимическое производство кокса имеет свою специфику. На производство кокса поступают угли и угольные концентраты обогатительных фабрик, содержащие значительное количество воды на поверхности угольных частиц. Эта вода вместе с углем попадает в камеры коксования. В процессе нагрева и термической деструкции угля в камерах коксования выделяющиеся из угольной засыпи пары воды, вместе с пирогенетической влагой угля, смешиваются с летучими продуктами коксования и с коксовым газом, попадают в газосборник, а далее на улавливание и переработку химических продуктов коксования. В процессах их переработки образуются сточные воды, содержащие значительное количество химических компонентов.
   Несмотря на применяемые различные методы очистки, пока не удалось достичь уровня чистоты, позволяющего сбрасывать эту воду в водоемы. Количество избыточной воды составляет 0,30,4 м³ на каждую тонну производимого кокса. Эту воду используют во внутреннем цикле оборотного водоснабжения, извлекают из нее растворимые химические элементы, используют на градирнях в качестве охлаждающего агента и пр. На последней стадии производят ее очистку активным илом на биохимической установке (БХУ). Однако даже после биохимической очистки эта вода может привести кзагрязнению окружающей среды.
   Проблема избыточной воды во многом решается, если очищенные стоки направлять на охлаждение кокса после выдачи его из коксовых камер, но при этом в атмосферу попадает немалое количество вредных веществ и создается проблема капельной жидкости, выпадающей из парового шлейфа тушильных башен. При этом безвозвратно теряется большое количество тепловой энергии.
   Одной из специфик кокса, как товарного продукта, является существенное изменение некоторых, важных для металлургов, свойств уже после отправки потребителю. Это касается в первую очередь прочностных характеристик и свойств насыпной массы.

5

Возможности улучшения качества кокса вне печной камеры

Казалось бы, это уже проблема металлургов, но по непонятной странности, они удовлетворяются показателями, получаемыми как для обычного товара, в месте отправки потребителю. Не меньшей спецификой можно назвать и тот факт, что показатель так называемой замусоренности (содержание в товарном коксе мелочи менее 25 мм) является для кокса браковочным, тогда как практически все потребители крупного кокса эту мелочь отсевают непосредственно перед его использованием.
   В настоящее время разработана методика вычисления значений показателей качества насыпной массы кокса, который подают непосредственно для использования в металлургическом процессе по данным, полученным поставщиком в месте отгрузки. Однако информацию по этому вопросу публикует коксохимический журнал, а для металлургов она может не доходить.
   Основным направлением развития доменного производства во всем мире является увеличение объема доменных печей и совершенствование технологии процесса. Коксовое производство идет в кильватере этого же направления. Но если по объему печей, технологии обогрева, способам подготовки угольной шихты и другим элементам технологии слоевого процесса коксования разработаны и реализованы существенные новшества, то резервам, находящимся во внекамерных технологических процессах, по нашему мнению, уже много лет не уделяется должного внимания. Так, Гипрококс (СССР), занимавший практически первенство в мире по разработке установок сухого тушения кокса (УСТК), еще в 1965 г. внедрявшихся во многих странах [1] , уступил это первенство.
   Явно ощутим и недостаток информации по совершенствованию внекамерных процессов формирования свойств кокса. Специальной литературы по этим вопросам (кроме отдельных статей) не издавалось уже 30-40 лет, поэтому авторы сочли актуальным написание данной книги.
   В книге освещаются возможности внекамерных процессов производства кокса по управлению влажностью и физико-механическими характеристиками, а также, на примере решения задачи по экономическому влиянию показателей качества кокса на работу доменных печей, показан путь оптимизации коксодоменного комплекса.
   Авторы выражают благодарность сотрудникам редакции журнала «Кокс и химия», и в частности Ирине Андреевне Осиповой, доктору философии, члену-корреспонденту Петровской Академии наук Виталию Михайловичу Гуляеву, Генераль

6

Предисловие

ному директору УНПА «Укркокс», доктору технических наук, профессору Анатолию Григорьевичу Старовойту, заведующему кафедрой УПИ, кандидату технических наук Сергею Георгиевичу Стахееву и заведующему лабораторией обезвреживания выбросов ФГУП ВУХИН, кандидату технических наук Валерию Тимофеевичу Стефаненко за помощь в получении нужных материалов при написании книги.
   Мы будем благодарны всем, кто выскажет свои замечания и пожелания в связи с изданием книги.

Возможности улучшения качества кокса вне печной камеры









                Введение




   Качество продукции - совокупность свойств и мера ее полезности, обусловливающие способность все более полно удовлетворять потребности в соответствии с назначением [1]. В вопросе оценки качества кокса и рациональной подготовки его для доменных печей определяющими являются три момента: 1. Какими показателями характеризовать качество кокса; 2. Целесообразный уровень этих показателей; 3. Как регулировать их величину.
   Издавна прочность кокса во всем мире оценивали испытанием пробы на сопротивление разрушающим воздействиям при температуре окружающей среды. Варьировались глубина и методы разрушения, а также оценка результатов испытания, но принципиально подход был одинаков. Многочисленные исследования и предлагавшиеся методы оценки качества в условиях, приближенных к условиям использования в металлургии, не получили распространения в промышленности.
   Порядка 20 лет тому назад начала заметно распространяться оценка кокса по методу японской фирмы «Ниппон Стил Корпо-рейшн» (NSC или НСК) - определение так называемой «горячей прочности» показателем CSR и реакционной способности показателем CRI. За повсеместным ажиотажем вокруг возникших требований определения этих показателей, в России, Украине и других государствах начались исследования их сущности, методической обоснованности и взаимосвязи с работой доменных печей.
   Было отмечено [2 и др.], что термины «горячая прочность», а тем более «доменная прочность» являются ошибочными и амбициозными, поскольку характеристики определяются в холодном состоянии. Предварительная обработка углекислым газом при высокой температуре не дает основания для революционного пересмотра отношения к оценке качества кокса и не является абсолютно новым подходом.

8

Введение

   Еще в 60-е годы прошлого столетия в Институте Горючих Ископаемых (ИГИ), г. Москва, установлена отчетливая связь между показателями «холодной» прочности и прочности охлажденного кокса после повторного нагрева его до разных температур, вплоть до 1200оС [3]. Примерно в тот же период в Восточном Углехимическом институте (ВУХИН), г. Свердловск, было установлено, что нагрев до 1100оС и механические воздействия в условиях различных газовых сред не дают принципиально иной характеристики по сравнению с испытанием холодного кокса [3], хотя уровень прочности снижается при нагреве в окислительной среде. Аналогичные результаты получены и в работе [4].
   ИГИ совместно с ОАО «Северсталь» установили [5], что показатель CRI с высокой степенью достоверности коррелирует с давно известным показателем оценки реакционной способности Кт (ГОСТ 10089-62, ныне ГОСТ 10089-89). При этом на определение CRI надо тратить 2 часа. Аппаратурное обеспечение метода весьма и весьма дорогостоящее. А показатель Кт определяется за 15 минут и оборудование недорогое.
   Многочисленные исследования сути показателей CRI и CSR, выполненные в разных странах, показали, что их значения между собой тесно связаны [1, 5-12 и др.]. Уже это само по себе снижает информативность ровно вдвое, а отсюда и ценность метода. В разных вариантах устанавливалась связь между CRI и CSR, с одной стороны, и применяемыми показателями испытания в холодном состоянии. Так, в Испании установили связь между дробимо-стью кокса и CSR [13]. Аналогичные результаты получены в Германии на заводе Кайзерштуль для кокса слоевого процесса коксования шихт различного состава [14]. Взаимосвязь между показателем М40 и CSR найдена по данным испытания кокса в Китае [7]. В работе [16] установлена функциональная зависимость между показателями М10 и CSR, а в работе [17] эта зависимость констатируется в виде синхронного изменения показателей. Отмечено соответствие CSR и CRI показателям холодного испытания кокса в работе [18] и многих других работах.
   Интересные данные получены при исследовании кокса ОАО «Тулачермет» и кокса Кемеровского коксохимического завода (ОАО «Кокс») [10]. Пробы кокса, подготовленные для испытания по методу NSC и испытанные так же, как определяют показатель CSR, но предварительно не подвергавшиеся нагреву и газификации, дают результаты, коррелирующие с показателем CSR с высокой степенью надежности. На основании

9

Возможности улучшения качества кокса вне печной камеры

предложенного показателя CBS можно найти CSR=(CBS-70,9)/ 0,219 и CRI = 159,89-1,53 CBS [10]. Вероятно, что соответствие установленным зависимостям справедливо для конкретной сырьевой базы и условий коксования, но, по нашему мнению, принципиально эта зависимость, безусловно, должна быть. В ряде работ [1, 10, 19, 32 и др.] утверждается, что доказательной базы преимуществ показателей CSR и CRI перед стандартными показателями физико-механических свойств кокса нет.
   Нам представляется, что поиск преимуществ CSR и CRI перед показателями прочности в холодном состоянии не имеет под собой логического обоснования, поскольку оценивается кокс по разным свойствам, имеющим значение в разных зонах доменной печи. Прошли те времена, когда кокс, получаемый на всей территории СССР, пытались оценить единой меркой и аттестовать его как сырье для доменных печей [20]. Уже достаточно давно общепризнано, что максимально полезные свойства кокса для доменной печи могут быть установлены с учетом ее объема, характеристики железосодержащего сырья, а также дутья и других многообразных условий доменной плавки. Отыскание единого показателя ценности качества кокса для всех доменных печей и технологических условий процесса производства любых видов чугуна нереально и поиски его априори обречены на неудачу.
   Именно по этой причине во всем мире в настоящее время кокс оценивают несколькими показателями, характеризующими разные его свойства в соответствии с функциями, которые он играет в конкретных условиях доменной печи.
   Так, например, на 4-м Европейском конгрессе по коксохимическому и доменному производствам (Париж, 2000 г.) звучали следующиетребования ккачеству доменного кокса: 1. Механическая прочность, %; 2. Средняя крупность, мм, при содержании фракции более 50 мм 46% (а в перспективе более 50%); 3. Содержание мелочи менее 12,5 мм; 4. Показатели CSR, CRI и химический состав. Эти требования были озвучены Американским институтом черной металлургии США и сформулированы на основании данных исследований, выполненных в 1995 г. Механическая прочность должна оцениваться индексом стабильности (более 25 мм) и индексом твердости (более 6,4 мм).
   Установлена для условий трех заводов зависимость между изменением названных показателей и расходом кокса на тонну производимого чугуна, с учетом уровня величины показателей качества. Так, например, при уровне стабильности кок

10