Основы теории и практики использования буроугольного полукокса в технологических процессах и рециклинге твердых отходов

 
 
 
 
 
 
 
 
 
М. Б. Школлер 
 
 
 
 
 
 
 
 
ОСНОВЫ ТЕОРИИ  
И ПРАКТИКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ  
БУРОУГОЛЬНОГО ПОЛУКОКСА  
В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ  
И РЕЦИКЛИНГЕ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
1 

 
 
УДК 62-664.7 
ББК 34.3 
Ш67 
 
 
 
 
 
 
 
 
Школлер, М. Б. 
Ш67  
Основы теории и практики использования буроугольного полукокса 
в технологических процессах и рециклинге твердых отходов : монография / М. Б. Школлер. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 
128 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1245-2 
 
Представлены оригинальные результаты исследований по созданию 
научных основ использования в черной металлургии мелкозернистого буроугольного полукокса (БПК). Рассмотрены современные возможности промышленного производства БПК. 
Для ИТР предприятий и научно-исследовательских институтов угольной, 
металлургической промышленности и энергетики, профессорско-преподавательского состава, а также студентов, аспирантов и магистрантов, обучающихся 
по направлению «Химическая технология», профиль «Химическая технология 
природных энергоносителей и углеродных материалов». 
 
УДК 62-664.7 
ББК 34.3 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1245-2 
” Школлер М. Б., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
 
2 

 
 
СОДЕРЖАНИЕ 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
........................................................................................................ 4 
 
Глава 1. СЫРЬЕВАЯ БАЗА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ  
ПОЛУЧЕНИЯ БУРОУГОЛЬНЫХ ПОЛУКОКСА И ТЕРМОКОКСА 
................ 5 
Литература ............................................................................................................... 17 
 
Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ 
ПРИМЕНЕНИЯ БУРОУГОЛЬНОГО ПОЛУКОКСА В ПРОИЗВОДСТВЕ  
РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ КОКСА 
............................................................................. 18 
2.1. Исследование процесса взаимодействия БПК с коксующимися  
углями ....................................................................................................................... 20 
2.2. Опытные коксования шихт с участием БПК в промышленных  
условиях ................................................................................................................... 35 
Литература ............................................................................................................... 42 
 
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО  
ВОЗДЕЙСТВИЯ НА УЛУЧШЕНИЕ СПЕКАЮЩИХ СВОЙСТВ ГАЗОВЫХ 
УГЛЕЙ ПУТЕМ МОДИФИКАЦИИ ОТОЩАЮЩЕЙ ДОБАВКИ ................... 43 
Литература ............................................................................................................... 74 
 
ГЛАВА 4. ЭФФЕКТИВНОЕ ПЫЛЕВИДНОЕ ТОПЛИВО (ПУТ)  
И ОКУСКОВАННЫЕ КОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ БПК ................................. 78 
4.1. ПУТ для доменных печей на основе БПК ..................................................... 78 
4.2. Термохимический способ получения окускованных композитов  
на основе БПКТС-КС .................................................................................................. 90 
Литература ............................................................................................................. 104 
 
ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ БПКСТ-КС ДЛЯ РЕЦИКЛИНГА ТВЕРДЫХ  
ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ .............................................................................. 106 
5.1. Рециклинг угольных шламов ........................................................................ 106 
5.2. Рециклинг железосодержащих шламов ....................................................... 112 
Литература ............................................................................................................. 121 
Заключение 
............................................................................................................. 122 
3 

 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Со времени выхода монографии автора «Полукоксование каменных и бурых углей» прошло около 20 лет. Произошли существенные изменения в масштабах производства полукокса: прекратил существование завод полукоксования на Ангарском нефтехимическом комбинате, появились новые угольные 
предприятия в Канско-Ачинском буроугольном бассейне, выпускающие малозольные и малосернистые угли. Фирмой «Сибтермо» разработана целая линейка технологий «Термококс» на основе частичной газификации бурых углей с 
получением высокоактивного твердого остатка – термококса. В развитие впервые нами выдвинутого направления по использованию катализа для улучшения 
свойств углей со слабой спекаемостью получены также дополнительные сведения. Разработаны с использованием термококса новые виды технологического 
и бытового бездымного топлива, а также способы рециклинга твердых техногенных отходов угольной промышленности и черной металлургии. Освещению 
результатов этих работ и посвящена настоящая монография. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 

 
 
Глава 1 
 
СЫРЬЕВАЯ БАЗА  
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ  
ПОЛУЧЕНИЯ БУРОУГОЛЬНЫХ ПОЛУКОКСА  
И ТЕРМОКОКСА 
 
Малозольные и низкосернистые угли гигантского Канско-Ачинского буроугольного бассейна являются привлекательными объектами для использования в различных отраслях промышленности. Наиболее крупные предприятия, 
ведущие добычу в бассейне, поставляют потребителям уголь следующего качества (табл. 1.1). 
Таблица 1.1 
Качественные характеристики бурых углей Канско-Ачинского бассейна 
Разрез 
Добыча, 
млн т/год 
Марка 
Qdaf 
ккал/кг 
Qd 
ккал/кг 
Ad,  
% 
Wr,  
% 
Vdaf, 
% 
Sd,  
% 
ОАО «Сибирская угольно-энергетическая компания» 
Березовский 
9,0 
2Б 
 
 
 
 
 
 
 
 
Б2Р  
низкозольный 
6660 
3740 
4,0–6,0 
33,0 
48,0 
0,3 
 
 
Б2Р  
среднезольный 
6660 
3740 
7,3–10 
35,0 
48,6 
0,6 
 
 
БМСШ 
6660 
3740 
7,3–10 
38,0 
48,6 
0,6 
Бородинский 
 
Б2 
 
 
 
 
 
 
 
 
БМСШ 
6900 
3740 
10,4 
36,0 
46,5 
0,4 
 
 
Б2Р 
6900 
3740 
16,0 
35,0 
46,5 
0,4 
 
Следует, отметить, что природная высокая влажность бурых углей  
(30–35 %) и склонность к самовозгоранию делают нецелесообразной их 
транспортировку на расстояния свыше 1000 км. Для облагораживания углей 
Канско-Ачинского бассейна во второй половине прошлого столетия Энергетическим институтом им. Кржижановского (ЭНИН) были разработаны эффективные технологии скоростного полукоксования. Одна из них применялась на 
Красноярском металлургическом заводе «Сибэлектросталь» для производства 
5 

 
 
пылевидного восстановителя (БПКСЭС), использовавшегося в процессах бескоксовой металлургии [1, 2]. 
Метод, разработанный ЭНИН, сочетает использование двух типов теплоносителей. Газовый теплоноситель применяют, как правило, для сушки перерабатываемого топлива и для нагревания твердого теплоносителя. Нагрев же топлива до температур, при которых образуются газы и пары смолы, и протекает 
собственно термическая деструкция осуществляют твердым теплоносителем. 
Технологическая схема метода ЭНИН представлена на рис. 1.1. 
Сырое топливо (если необходимо) сначала дробят до кусков размером  
< 6 мм, а затем дополнительно подвергают одновременному помолу и сушке с 
помощью горячих дымовых газов, подаваемых от котла ТЭЦ или специального 
топочного устройства. Окончательный размер частиц в зависимости от направления последующего использования полукокса может составлять от 100 % менее 
3 мм до 80–90 % менее 90 мкм. Сушку и нагрев частиц топлива осуществляют 
либо во взвешенном состоянии, либо в восходящем потоке, что обеспечивает относительно равномерное прогревание. Конечная температура предварительного 
нагревания зависит от вида топлива и может колебаться от 120 до 400 °С. 
Подогретое и сухое топливо с помощью циклона отделяют от дымовых 
газов, смешивают с твердым теплоносителем, (обычно полукокс, нагретый за 
счет частичного сжигания в отдельном аппарате – «технологической топке» до 
800–1000 °С), циркулирующим в системе, и подвергают деструкции в камере 
термического разложения (КТР) в течение 1–20 мин процесса при температуре 
500–700 °С. Продолжительность и температура зависят от свойств используемого твердого горючего ископаемого, а также от кратности циркуляции твердого теплоносителя, которая может быть упрощенно установлена из уравнения 
теплового баланса КТР, допускающего равенство теплоемкостей нагретого угля 
и теплоносителя: 
 
пк
ну

 

, 
Т
Т
К
Т
Т
т
пк
6 

 
 
где К – коэффициент кратности циркуляции теплоносителя; Тпк – заданная температура полукоксования; Тну – заданная температура предварительного нагрева (бертинирования) угля; Тт – заданная температура теплоносителя. 
                            
 
Рис. 1.1. Технологическая схема опытно-промышленной установки завода  
«Сибэлектросталь» для высокоскоростного пиролиза бурого угля:  
Т1–Т8 – питатели-затворы турникетного типа; I – вода; II – сухой БПК;  
III – увлажненный БПК; IV – газ полукоксования; V – газ бертинирования;  
VI – горячий БПК.  
Остальные обозначения – в тексте 
 
Для пиролиза использовался уголь разреза «Бородинский» (табл. 1.1), который подвергался двухступенчатому предварительному дроблению в дискозубой и валковой дробилках до крупности 50 мм. 
Дробленый уголь с влажностью 29–33 % в количестве 6 т/час, пройдя 
магнитный сепаратор, поступает из промежуточного бункера сырого угля через 
ленточный автоматический дозатор 2 типа ЛДА-12 и шнековый затвор 3 с за7 

 
 
пирающей пробкой в тангенциальную шахтную мельницу 4. Отсюда, подсушиваясь и нагреваясь до 110–160°, размолотый уголь транспортируется газомтеплоносителем в циклон 5, где отделяется от газовой фазы и через турникетный затвор поступает в контур бертинирования, состоящий из реторты нагре- 
ва 10 и циклона горячей пыли 11. 
Часть отработанного газа из контура сушки подается мельничным вентилятором 6 на рециркуляцию для снижения температуры дымовых газов, поступающих из циклонной топки 9 в шахтную мельницу. Другая часть газа подается 
в контур охлаждения полукокса, а избыток сбрасывается в атмосферу через 
мокрую пылеочистку. Горячая угольная пыль из контура бертинирования и 
твердый теплоноситель из циклона 12 поступают в камеру термического разложения (КТР) через встроенный полочный смеситель. Между теплоносителем 
и углем происходит интенсивный теплообмен с выделением парогазовой смеси. 
Парогазовая смесь поступает в циклон 14, где она отделяется от полукоксовой 
пыли. Крупная пыль возвращается через турникетный затвор в камеру термического разложения, а тонкая совместно с газами из циклона 9, пройдя циклон 15, 
сжигается в циклонной топке 9. Часть полукокса из камеры термического разложения переводится турникетным затвором в технологическую топку 16. Сюда же подается дутье от воздуходувки 17 в количестве, достаточным для сжигания примерно 3 % полукокса, за счет чего смесь полукокса и газа нагревается 
до 800 °С. 
Другая часть полукокса из камеры термического разложения либо выдается пневмотранспортом через эжектирующее устройство потребителю, либо в 
реторту охлаждения для снижения температуры до 150–180 °С за счет подачи 
холодного отработанного сушильного агента из контура сушки и воды через 
форсунку тонкого распыления. 
Отделение полукокса от газовой фазы происходит в циклоне 19, установленном на бункере 20. Дым сбрасывается в атмосферу через мокрую пылеочистку. Полукокс из бункера 20 может быть отдан потребителю пневмокамер8 

 
 
ным насосом 21 или автотранспортом после увлажнения в двухвальном смесителе 22 водой с добавкой поверхностно-активного вещества (ПАВ). 
Реакции бертинирования в реторте нагрева, горения и частичная газификация в технологической топке происходят во взвешенном состоянии в течение 
нескольких секунд. Основная реакция пиролиза – термическое разложение бертинированного угля протекает в КТР. На всех стадиях превращения угля в полукокс созданы условия для интенсивного тепломассообмена.  
Из материального баланса следует, что в технологической топке сжигается 
3,8 % полукокса. Расход сырого угля на 1 т полукокса равен 3 т, сухого угля – 
около 2 т. 
Наиболее ценный газ образуется в КТР. Он содержит 25,6 % углеводородов, 21,7 % моноокиси углерода, 21,8 % водорода. Расчетная теплота сгорания 
достигает 20 МДж/нм3. Газ такого состава может быть высококачественным 
промышленным топливом или сырьем для промышленности органического 
синтеза. 
Опытно-промышленная установка была успешно освоена. На ней до завершения эксплуатации при непрерывных пробегах длительностью 10–20 суток 
было переработано более 100 тыс. т бурого угля, что дало возможность проведения крупномасштабных промышленных экспериментов по использованию 
буроугольного полукокса в различных металлургических процессах [1]. 
На основе этих исследований ЭНИН разработал и выдал исходные данные для выполнения технического проекта опытно – промышленной энерготехнологической (энерго-топливно-химической) установки производительностью по сырому углю 175 т/ч (ЭТХ – 175) на ТЭЦ – 2 г. Красноярска [3]. 
В январе 1987 г установка ЭТХ-175 была принята в опытно-промышленную эксплуатацию. В ходе пуско-наладочных работ были выявлены существенные недостатки проекта, которые ТЭЦ-2 не были устранены. 
Узким местом методов энерготехнологической переработки топлив является в настоящее время четкой концепции химической переработки смол, содержащих большое число разнообразных соединений. Однако комплексное 
9 

 
 
энерготехнологическое использование твердых топлив с высоким химическим 
потенциалом представляется одним из важнейших направлений замены нефтепродуктов для производства энергии и сырья для органического синтеза. 
В настоящее время в России производство мелкозернистого продукта из 
бурых углей организовано на основе технологий частичной газификации бурого угля («Термококс»), разработанных фирмой «Сибтермо» (г. Красноярск) [3]. 
Конечная температура процессов находятся в пределах 700–850 °С, что позволяет позиционировать получаемый продукт как кокс («термококс»). В данном 
монографии для удобства сопоставления он зашифрован нами аббревиатурами 
(БПКТК-С и БПКТК-КС). 
В 2001 году в ЗАО «Карбоника-Ф» в городе Красноярске ввело эксплуатацию опытно-промышленное производство БПКТК-С по технологии «Термококс-С» (частичная газификация в плотном слое), производительностью 33 тыс. 
тонн в год по углю или 10 тыс. тонн в год по БПКТК-С. По существу это – слоевой процесс газификации угля на воздушном дутье, в котором газификации 
подвергаются в основном летучие, а степень газификации твердого углеродсодержащего остатка регулируется режимом подачи дутья. Используется малозольный уголь разреза Березовский-1. Максимальная температура в зоне газификации – 850 °С. В верхней части реактора размещены (рис. 1.2) загрузочный 
люк, выпускной патрубок газа, электротермическое устройство для начального 
розжига верхних слоев угля. Верхняя часть футерована огнеупорным кирпичом 
и жаростойким бетоном. Средняя часть аппарата снабжена водяной рубашкой. 
Нижняя треть средней части выполнена в виде усеченного конуса. Там расположено выгрузочное устройство, колосниковая решетка, устройство для подвода воздуха и охлаждающего газа. Производственная программа выполняется в 
20 реакторах. Процесс управления полностью автоматизирован. В рабочем режиме фронт горения в реакторе смещается навстречу потоку дутья и за фронтом горения остается твердый остаток – полукокс. При движении фронта горения слой угля последовательно проходит стадию нагрева, сушки пиролиза, горения и активации – реагирования углеродсодержащего остатка с водяным па10