СПОСОБ ПОДГОТОВКИ УГОЛЬНОЙ ШИХТЫ К КОКСОВАНИЮ
METHOD OF PREPARING COAL CHARGE FOR COKING

Изобретение относится к коксохимическому производству, а именно: к технологии подготовки угольной шихты к коксованию.
Большинство коксохимических предприятий вынуждены работать на угольных шихтах с повышенной влажностью (6-10%), при которых наблюдается минимальная насыпная плотность и, соответственно, минимальная масса загрузки шихты для коксования и пониженная производительность. В связи с этим продолжительное время ведутся работы, направленные на повышение производительности коксовых печей, связанные с повышением их загрузки, что обеспечивается, главным образом, сушкой углей и шихт, путем их быстрого нагрева теплоносителем, имеющим температуру 400-700°С, обеспечивающим нагрев шихты до температур 110-250°С. Сушка - традиционный способ повышения загрузки шихты в коксовые печи. В процессе сушки обеспечивают удаление влаги из шихты до влажности менее 0,3-0,5%. В этом случае обеспечивается максимальная загрузка шихты, поступающей на коксование, т.к. чем более сухая шихта, тем большая ее насыпная масса, и тем больше ее загрузка в коксовые печи.
Такая технология подготовки шихты для коксования сопровождается выделением и уносом парогазовыми продуктами коксования больших количеств угольной пыли, что приводит к затруднениям в технологии и загрязнению окружающей среды (ухудшению экологичности). Сушка шихты (в процессе ее термоподготовки) требует наличия специального оборудования и наличия дополнительных транспортных коммуникаций, связывающих участки термоподготовки (сушки) и коксования. Также такая технология связана с большими затратами энергии на испарение влаги (сушку). Однако, при коксовании сухого угля снижается стойкость огнеупорной кладки и снижается срок службы коксовых печей ввиду увеличения газового давления. Таким образом, для данной технологии требуется более прочная огнеупорная кладка печей и, возможно, использование специальных шихт, при коксовании которых будет выделяться меньше парогазовых продуктов. Кроме того, термоподготовка - специальный технологический этап, требующий использования специального оборудования, что ведет к усложнению технологии подготовки шихты для коксования. В результате термоподготовки при использовании теплоносителя с высокой температурой может происходить перегрев мелких частиц шихты и их окисление или деструкция, что является нежелательным, т.к. в результате ухудшаются коксообразующие свойства шихты, и, поэтому не в полной мере используется потенциал спекающих свойств, заложенных в шихтах.
Известен способ подготовки угольной шихты к коксованию по авторскому свидетельству СССР №1214718 (принятый за прототип), включающий измельчение компонентов шихты, смешение углей и буроугольного полукокса, сушку теплоносителем. Согласно известному способу угли сушат теплоносителем при температуре 150-180°С до остаточной влажности 2,5-4,5% и затем их смешивают с буроугольным полукоксом скоростного пиролиза.
В известном способе подготовки шихты для коксования выбор температуры теплоносителя, при котором осуществляют сушку шихты, и остаточная влажность шихты обусловлены тем, что при вышеуказанных параметрах температуры теплоносителя и остаточной влажности шихты полнее сохраняются коксообразующие свойства шихты. При температуре теплоносителя 150-180°С не происходит интенсивного процесса окисления угля и исключается перегрев мелких частиц с последующей их термической деструкцией, что позволяет сохранить спекаемость шихты и уменьшить содержание вредных химических веществ в сбрасываемом теплоносителе. Добавляемый в шихту с влажностью 2,5-4,5% буроугольный полукокс полностью сорбирует остаточную внешнюю влагу шихты, благодаря чему насыпная масса достигает максимальных значений, т.е. таких, которые обеспечиваются обычно при глубокой сушке шихты до остаточной влажности 0,3-0,5%. Температура угольной части шихты в процессе сушки при температуре теплоносителя 150°С составляет 85°С, а при температуре 180°С составляет 95°С.
Кроме того, в примерах, приведенных в описании патента №1214718 (прототип) влага угольных шихт составляла 6,7-8,0%, а в существующей практике влажность угольных шихт составляет 9-10% и более. Таким образом, предлагаемые в прототипе условия сушки могут не обеспечить осуществление заявляемого способа с реальной влажностью.
Следует отметить, что данные, приведенные в таблице №5 описания к патенту №1214718 (прототип) показывают, что при коксовании шихты без подсушки (шихта +5% БПК) прочность кокса и выход товарного кокса значительно выше, чем по предлагаемому способу.
Недостатком известного способа, выбранного за прототип является его сложность, обусловленная:
- наличием технологической операции сушки шихты до необходимой влажности, сопровождающейся расходом энергии на сушку шихты;
- наличием операции смешения с полукоксом, сорбирующим остаточную внешнюю влажность шихты, усложняющим известный процесс подготовки шихты к коксованию.
Кроме того, известный способ подготовки шихты имеет также другие недостатки:
- недостаточная экологичность способа, т.к. содержит несколько перегрузок и длинных транспортировок, сопровождающихся большими выделениями пыли от сухой шихты, в результате чего происходит загрязнение окружающего воздуха;
- при загрузке сухой шихты в коксовые печи снижается стойкость коксовых печей за счет увеличения газового давления и количества теплосмен. Для сохранения стойкости коксовых печей необходимо таким образом подбирать составы шихт для коксования, чтобы давление парогазовых продуктов, образуемых при коксовании шихты, не превышало стойкости элементов огнеупорной кладки коксовых печей и, одновременно, обеспечивало требуемое качество кокса;
- кокс, полученный из угольной шихты с добавкой буроугольного полукокса имеет повышенную реакционную способность и может использоваться главным образом для недоменного производства (в электротермии). Доля потребности в таком коксе невелика (вероятно поэтому изобретение в настоящее время не реализуется).
Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, состоит в упрощении способа подготовки шихты к коксованию за счет исключения специальной; технологической операции глубокой сушки шихты, сокращения количества перегрузок и транспортировок. Кроме того, заявляемое изобретение позволяет улучшить технологичность и экологичность процесса коксования за счет снижения уноса в атмосферу пыли от сухой шихты. Также заявляемый способ позволяет сохранить стойкость огнеупорной кладки коксовых печей и снижение затрат энергии за счет исключения самостоятельной операции сушки шихты. Также с учетом вышеуказанных технических результатов заявляемое изобретение является более экономичным по сравнению с известными способами подготовки шихты к коксованию.
Заявляемый технический результат обеспечивает загрузку шахты не меньшую, чем у прототипа, при этом сохраняется качество кокса не ниже, чем у прототипа.
3
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в способе подготовки угольной шихты к коксованию, включающем предварительный перед коксованием нагрев шихты, исходная влажность которой составляет (3,5-10)%, согласно изобретению на коксование подают шихту, нагретую в бункере до температуры от 35°С и не более 100°С, при этом нагреванию подвергают нижележащие слои шихты в процессе ее перемещения, при этом насыпная плотность нагреваемой шихты составляет не менее 650 кг/м.
Предварительный нагрев шихты осуществляют теплоносителем, температура которого не превышает 150-250°С.
Теплоносителем может являться пар или газ.
Теплоносителем может являться отработанный газ.
Теплоносителем может являться отработанный дымовой газ после отопления коксовых печей.
В заявляемом способе предварительный нагрев шихты осуществляется при ее вертикальном перемещении сверху вниз, например, в бункере, который специалисты называют «угольной башней». Заявитель использует термин «бункер», который является более общим по отношению к термину «угольная башня», т.к. никакие особенности «угольной башни» на заявленный технический результат не влияют. Главное - чтобы этот элемент оборудования, используемого в способе, выполнял функцию хранения шихты и ее выгрузки.
Такой способ подачи шихты является традиционным, т.е. для осуществления заявляемого способа используется оборудование и технологические потоки, традиционно используемое в коксохимическом производстве.
Для обеспечения нагрева шихты при ее вертикальном перемещении сверху вниз в, нижней части бункер снабжают нагревательными элементами (в которых теплоносителем является, например, пар или газ). Способ нагрева шихты не является принципиальным, главное - обеспечить нагрев шихты до температуры от 35°С и не более 100°С.
Для того, чтобы на коксование шла именно нагретая шихта, ее нагрев осуществляют в нижней части бункера с тем, чтобы шихта не успела охладиться.
Нагрев шихты до температуры не более 100°С будет обеспечен, если температура теплоносителя будет составлять 150-250°С.
В заявляемом способе не имеет значения остаточная влажность шихты, соответственно, нет необходимости ее контролировать. Также отсутствует необходимость в смешении предварительно нагретой шихты с другим сырьем, для сорбирования внешней влаги с шихты.
Заявляемый технический результат будет достигнут в любом случае, если выходящая из бункера на коксование шихта будет нагрета до температуры от 35°С и не более 100°С.
Нагрев шихты до определенной температуры при заданной температуре теплоносителя достигается путем регулирования расхода теплоносителя на обогрев шихты.
3
Для исключения потери тепла и влаги при нагреве шихты необходимо обеспечить плотность нагреваемой шихты не менее 650-700 кг/м. При такой плотности будет обеспечен необходимый контакт частиц шихты между собой, обеспечивающий сохранение тепла шихты. Также при таком контакте, влага, удаляемая из нижележащих слоев шихты будет проникать в вышележащие слои шихты, обеспечивая сохранение содержания влаги в шихте.
В заявляемом способе не требуется осуществлять удаление влаги из шихты (глубокую сушку шихты), т.к. нагрев шихты осуществляется до температур, не превышающих 100°С, т.е. до температур, при которых осуществляется интенсивное испарение влаги.
В прототипе также температура шихты не достигает 100°С, однако в прототипе необходимо обеспечить влажность шихты не более 2,5-4,5%, что обеспечивается при удалении влаги из шихты путем сушки последней на сушильных установках.
Отсутствие в необходимости удалять влагу из шихты согласно заявляемому способу подготовки шихты при ее нагреве объясняется зависимостью вязкости и текучести воды при изменении ее температуры.
Из источника «Справочник химика», второе издание переработанное и дополненное, том первый «Общие сведения. Строение вещества. Свойства важнейших веществ. Лабораторная техника», Ленинград, Москва, Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1963 г., стр.985-987, 1010» известны значения вязкости и текучести воды при различных температурах.
-1
Авторами по сведениям, приведенным в вышеуказанном источнике, были построены графики (фиг.1) зависимости вязкости и текучести воды от ее температуры (η - вязкость, сП; f - текучесть, пуаз).
Как видно, при увеличении температуры воды от 0 до 100°С ее текучесть увеличивается более, чем в шесть раз, а ее вязкость уменьшается также более, чем в шесть раз. При этом до температуры воды 35-40°С и после 35-40°С изменения вязкости и текучести воды носят полулогарифмический характер. При температуре 35-40°С наблюдается перегиб на кривых характеристик вязкости и текучести воды. И при температурах, превышающих 35-40°С при сохранении полулогарифмического характера зависимостей вязкости и текучести воды от ее температуры, меняется скорость изменения вязкости и текучести (определяемые углом наклона кривых по отношению к участкам кривых вязкости и текучести до температур 35-40°С).
Т.е. при температурах 35-40°С происходят изменения свойств воды (вязкости, текучести) обусловленные не только влиянием температуры, но и изменением в результате нагрева воды ее физикохимических свойств, которые могут быть объяснены структурными изменениями агрегатного состояния воды.
Авторы в заявляемом способе используют свои знания о свойствах воды, а именно: о характере изменения вязкости и текучести воды в результате ее нагрева.
Изменение вязкости и текучести влаги, содержащейся в шихте, при повышении температуры и изменение ее физических свойств при температурах от 0 до 100°С не может не сказаться на различном уплотнении влажной угольной шихты при ее нагреве в зависимости от температуры.
Нагрев шихты до температур от 35°С и не более 100°С осуществляется при меньших затратах энергии, чем при нагреве шихты до температур, обеспечивающих определенное содержание влаги (до определенных значений влажности шихты).
Авторами были проведены исследования, которые подтвердили, что при нагреве шихты в процессе ее прохождения через бункер (угольную башню), из которой шихта подается на коксование, до температур 35-100°С масса загрузки шихты для коксования увеличивается на 7,5-20%.
Авторы объясняют это тем, что при нагреве шихты происходит соответствующий нагрев содержащейся в шихте влаги. В результате такого нагрева изменяются вязкость и текучесть влаги, соответственно, изменяется прочность связи между отдельными частицами шихты, в результате чего происходит уплотнение шихты.
Возможность использования в качестве теплоносителя в нагревательных элементах дымовых газов обеспечивает возможность повторного использования (утилизации) отработанного ресурса, например, отходящего дымового газа после обогрева коксовой батареи.
Заявляемый способ подготовки шихты проверялся на оборудовании, использование которого предусмотрено ГОСТом 9521-74 при коксовании угольных шихт:
- ящик из листовой стали размером 110×165×165 мм;
- бункер для загрузки шихты в ящик для коксования (фиг.2).
Кроме того, применяются: металлический ящик размером 110×205×200  мм для нагрева шихты и сушильный шкаф любого типа, обеспечивающий быстрый (в течение примерно 1 часа) нагрев 3 кг угольной шихты, помещенной в металлический ящик до температуры в интервале от 35°С и не более 100°С.
Используются также:
- термометры сопротивления;
- прибор термодат.
Суть проверки заключалась в определении и сравнении массы загрузки угольной шихты с разной влажностью, нагретой до разных температур в металлическом ящике размером 110×165×165 мм.
Сведения о составе исследуемой шихты приведены в таблице 1:
где: ГЖО - газово-жирные отощенные угли; Г - газовые угли; ГЖ - газово-жирные угли; Ж - жирные угли; КС - коксовые слабоспекающие угли; КО - коксовые отощенные угли; ОС - отощенные слабоспекающие угли.
Сведения о качестве исследуемой шихты приведены в таблице 2:
Таблица 2
Показатель
Wp, %
Ad, %
Vdaf, %
Sd, %
X, мм
Y, мм
Значение показателя
9,0
9,7
26,3
0,50
32
15,8
где: Wp - влажность; Ad - зольность; Vdaf - выход летучих веществ; Sd -содержание серы; Х - усадка; Y - толщина пластического слоя.
Степень измельчения - 75% содержания частиц менее 3 мм.
Последовательность операций:
Испытуемая шихта с влажностью 9% в количестве 3 кг помещалась в металлический ящик размером 110×205×200 мм. Нагрев шихты осуществлялся в ящике, накрытом сверху противнем. Таким образом имитировался большой объем шихты. Ящик размещался в разогретом до 160°С сушильном шкафу. Температура шихты в ящике контролировалась при помощи термометров сопротивления, установленных в пристенных и осевой плоскостях.
Нагретая шихта пересыпалась в бункер 1 (фиг.2), а из него (путем открытия шибера) - в металлический ящик 2 размером 110×165×165 мм, днище которого находилось в 300 мм от шибера бункера. Избыток шихты из ящика удалялся при помощи жесткой металлической линейки. Проводилось взвешивание ящиков, а затем - ящиков с шихтой, на электронных весах. Результаты испытаний приведены на фиг.3 и в таблице 3.
После того, как шихту нагрели, ее масса изменилась не более чем на 0,1% и, таким образом, влажность шихты при нагреве не изменялась более чем на 0,1%.
3
3
Полученные данные свидетельствуют, что нагрев шихты с влажностью 9% до температуры 75°С приводит к повышению плотности загружаемой для коксования массы с 0,740 т/м (при температуре 20°С) до 0,870 т/м (при температуре 75°С). Это подтверждает увеличение насыпной плотности и, следовательно, величины загрузки на 17,5% при температуре 75°С по сравнению с величиной загрузки при 20°С. При 90°С величина и плотность загрузки возрастает на 20% по сравнению с плотностью при 20°С.
3
Величина насыпной плотности при 40°С составляет 0,803 т/м, - это на 8,5% больше, чем при 20°С.
3
3
Для шихты с влажностью 7% плотность загрузки при 75°С в тех же условиях составляет 0,875 т/м, а при температуре 20°С - 0,745 т/м.
Таким образом, величина плотности загрузки шихты с влажностью 7,0% при 75°С на 17,45% выше по сравнению с плотностью загрузки шихты при температуре 20°С.
Следовательно, нагрев угольной шихты даже при отсутствии изменения ее влажности (практическом отсутствии) приводит к увеличению величины угольной загрузки и, следовательно, ее насыпной плотности при любом подогреве угольной шихты.
Наблюдаемое явление уплотнения (увеличения насыпной плотности) влажных сыпучих материалов при их нагреве может распространяться и на другие сыпучие материалы, если процесс их нагрева не сопровождается химическими реакциями.
Можно ожидать увеличение массы разовой загрузки влажной угольной шихты в коксовые печи при нагреве ее в интервале температур от 35 до 100°С на 7,5-20% и притом избежать негативных явлений, связанных с загрязнением угольной пылью парогазовых продуктов, а также сохранить стойкость кладки коксовых батарей (коксовых печей). Одновременно можно ожидать повышение структурной прочности и других показателей качества кокса из нагретых шихт и повышение производительности коксовых печей на 10-12% по сравнению с технологией получения кокса из шихт, имеющих температуру 20°С.
Нагрев шихты в нижней части бункера можно осуществлять любым образом, естественно, с учетом целесообразности и экономичности. Целесообразно нагрев осуществлять посредством теплоносителей (газ, пар), особенно удобно использовать в качестве теплоносителей отработанные ресурсы, т.к. при этом происходит их повторное использование (экономия) и утилизация.
В заявляемом способе, как уже указывалось ранее, необходимо обеспечить нагрев шихты перед выходом ее из бункера (угольной башни) на коксование. Скорость движения шихты в бункере задается необходимым расходом шихты на коксование. Сохраняется конструкция бункера и существующие технологические потоки.
Производительность и период коксования определяют скорость движения шихты в бункере и, соответственно, определяют время нахождения шихты в области нагревательных элементов, что определяет температуру шихты на выходе из бункера. Кроме того, температуру шихты в зоне нагрева и, следовательно, на выходе из бункера можно регулировать расходом теплоносителя.
При нагреве слоев шихты, расположенных в нижней части бункера вблизи ее выхода, из шихты, конечно, будет удаляться небольшое количество влаги, при этом влага, удаляемая в виде пара из нижележащих слоев шихты, будет подниматься вверх, обеспечивая небольшой нагрев шихты, расположенной на более удаленном от выхода из бункера уровне. Удаляемая из нижележащих слоев шихты влага удаляется вместе с теплоносителем по специальным отводящим отработанный теплоноситель или влагу каналам.
На фиг.1 изображен график зависимости вязкости и текучести воды от ее температуры.
На фиг.2 изображена экспериментальная установка, включающая бункер и емкость (ящик) для приема из бункера влажной нагретой до разных температур угольной шихты с целью определения плотности ее загрузки.
На фиг.3 приведена зависимость насыпной плотности влажной угольной шихты от температуры ее подогрева (зависимость логарифма насыпной плотности от температуры подогрева шихты).
На фиг.4 изображена угольная башня (бункер) с углезагрузочным вагоном на реальном коксохимическом производстве.
На фиг.4 представлены: поз.1 - секции угольной башни; поз.2 - элементы ввода теплоносителя; поз.3 - элементы отвода теплоносителя; поз.4 - углезагрузочный вагон.
3
3
3
3
По результатам испытаний на установке согласно фиг.2 авторами проведен анализ реального осуществления нагрева угольной шихты в условиях реального существующего коксохимического производства в условиях существующих технологических потоков и оборудования (фиг.4). Угольная шихта с влажностью 9% в соответствии с существующими инструкциями и правилами технической эксплуатации загружается в сектора угольной башни. Нагрев шихты осуществляется за счет теплообмена с отходящими дымовыми газами системы обогрева коксовых печей в нижней части угольной башни. Температура дымового газа достигает 250°С. Обогрев осуществляется в объеме часового расхода шихты. Расход шихты на коксование составляет 100 т/час. Насыпная плотность перемещающегося слоя угольной шихты не превышает 650-700 кг/м. Поэтому обогреваемый объем составляет: 100:0,65=154 м (или примерно 150 м). Объем теплоносителя составляет 70000 м/час. Температура угольной шихты на входе в углезагрузочный вагон 90°С, влажность 6%. При нагреве угольной шихты ее влажность снижается с 9 до 6%. Влага удаляется по специальным отводящим каналам вместе с отработанным теплоносителем. Насыпная плотность загрузки угольной шихты увеличивается на 20%. Увеличение насыпной плотности угольной шихты и снижение ее влажности приводят к увеличению производительности коксовых печей на 12% и одновременно к повышению качества кокса.
Известно, что при снижении влажности угольной шихты, загружаемой в коксовые печи, на 1% производительность коксовых печей возрастает примерно на 1,24% (Турченко П.И., Мессерм П.Е., Остапченко А.В. «Кокс и Химия», 1961, №10, с.7-10). Следовательно попутное удаление 3% влаги сопровождается ростом производительности на 6-7% и дополнительно на 5% от повышения плотности загрузки на 20%.
Таким образом, при загрузке в коксовые печи влажной теплой шихты (90°С) их производительность увеличивается на 11-12%. Это более, чем в 2 раза превышает эффект от значительно более затратных и энергоемких технологий, например, частичное брикетирование шихты.
В условиях коксования в реторте печи Николаева для загрузки влажной нагретой шихты (75°С) показатель П25 составляет 87,3% по сравнению с величиной П25 равное 83,6% для влажной шихты, загруженной в реторту при 20°С. Аналогичные показатели П10, соответственно понизились с 9,2% до 6,6%.
Следует иметь ввиду, что удаление влаги, не являлось целью нагрева шихты. Однако нагрев шихты до требуемых температур (до 90°С) привел одновременно к тому, что увеличилась плотность загрузки, а также к попутному удалению влаги. Т.е. при коксовании таким образом подготовленной шихты снизятся затраты энергии на удаление влаги, т.к. предварительно часть влаги уже была удалена при нагреве шихты.
Т.е. одновременно с увеличением плотности загрузки авторы решили задачу снижения расхода энергии при коксовании шихты, связанной с удалением 3% влаги.
Экспериментальные данные о зависимости насыпной плотности влажной угольной шихты от температуры ее подогрева, полученные на установке фиг.2, приведены в таблице 3 и на фиг.3. При этом логарифм насыпной плотности угольной загрузки находится в линейной зависимости от температуры нагрева влажной шихты, т.е. наблюдается полулогарифмическая зависимость насыпной плотности влажной угольной шихты от температуры ее нагрева. При нагреве влажной угольной шихты до 75-90°С плотность и масса загрузки шихты в коксовые печи увеличивается на 17,5-20%. При этом производительность коксовых печей возрастает от влияния плотности на 5% и дополнительно на 7% за счет снижения влажности на 3%.
Сведения о плотности загрузки при различных температурах и влажности шихты приведены в таблице 3:
Таблица 3
Значение температуры, °C
Плотность загрузки, т/м<sup>3</sup>
Влажность шихты 9%
Влажность шихты 7%
20
0,740
0,745
30
0,780
0,785
40
0,808
0,810
60
0,852
0,855
75
0,870
0,875
80
0,880
0,885
90
0,889
0,900
На фиг.3 показана зависимость (полулогарифмическая зависимость) насыпной плотности от температуры влажной шихты. Линия 1 - влажность шихты 9%; линия 2 -влажность шихты 7%.
Таким образом, результаты проведенных исследований показывают, что увеличить плотность загрузки (а, следовательно, насыпную массу загрузки) можно при сохранении первоначальной влажности угольной шихты, без дополнительных затрат на сушку шихты и без негативных последствий, обусловленных сушкой шихты.
Авторы не ограничивают заявляемый способ только для его применения в отношении угольной шихты. Особенности способа не зависят от того, какой будет подвергаться нагреву и дальнейшему уплотнению. Главное для заявляемого способа - то, что его использование возможно только для сыпучего материала, а также то, что он применим только для влажного сыпучего материала. Влажная шихта (материал) в заявляемом способе - это шихта с влажностью выше 3,5%. Шихта для коксования по своему назначению является сыпучим материалом, поэтому дополнительного указания на то, что используемая в заявляемом способе шихта является сыпучей, авторы не делают.