СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ УГОЛЬНЫХ КОНЦЕНТРАТОВ
METHOD FOR CHANGING THE PROPERTIES OF COAL CONCENTRATES

Изобретение относится к производству и подготовке угольного сырья, предназначенного для получения металлургического кокса, а именно к способам изменения свойств угольных концентратов, и может применяться при обработке коксующихся углей.
Несмотря на многочисленные публикации в вопросах развития и рационального использования сырьевой базы коксования, проблемы по данной тематике возникают все чаще и острее. Увеличение добычи углей, обусловленное ростом российской экономики и ростом экспорта, привело к снижению в целом качества угольных концентратов, поставляемых на коксохимические производства.
Определение спекания и коксуемости углей является важнейшей операцией при классификации углей и оценки пригодности использования их в процессе коксования. Для образования достаточно прочного кокса уголь должен обладать определенной спекаемостью. Существует множество способов оценки спекающих свойств углей. Однако наибольшее распространение на постсоветском пространстве по оценке спекания углей получил пластометрический метод по ГОСТ 1186-87, который оценивает угольный концентрат по ряду параметров (толщина пластического слоя, усадка, характер кривой).
Чем большая часть угольного концентрата перешла в жидкое состояние (битум), при нагревании, тем в большей степени происходит смачивание частиц угольного концентрата, и заполнение пространства между ними (спекание). В дальнейшем, с ростом температуры, вязкость пластической массы увеличивается, происходит слипание твердых частиц угольного концентрата и далее происходит спекание пластической массы, которое приводит к затвердеванию (образованию кокса).  Однако избыток пластической массы не приводит к улучшению прочностных свойств нелетучего остатка, а ухудшает их. Это связано с тем, что возрастает расстояние между спекающимися твердыми частицами угольного концентрата и, как следствие, приводит к снижению прочности образовавшихся конгломератов. Считается, что уменьшение спекаемости ниже 16 мм приводит к резкому ухудшению прочностных свойств кокса, а оптимальное значение спекаемости находится в пределах от 18 мм до 24 мм.
Известны попытки влияния на показатели прочности кокса за счет добавления к угольной шихте различных органических материалов как коксохимического, так и нефтехимического происхождения [1]. К угольным шихтам добавляют препарированные каменноугольную и полукоксовую смолы, каменноугольный пек, мазут, тяжелые остатки перегонки нефти, полукокс, полученный при полукоксовании газовых углей. Используют как жидкие, так и твердые добавки. Известны также попытки вводить в шихты для коксования неликвидные мелкие классы нефтекоксовой мелочи [2].
Основной целью описанных выше работ является внедрение в шихты коксования большого количества слабоспекающихся и газовых угольных концентратов при снижении доли участия коксовых и жирных угольных концентратов, при этом главным представляется обеспечение прочности кокса на прежнем уровне или даже ее повышение.
С целью улучшения показателей качества кокса проводили исследования по обработке угольных концентратов реагентами, включающими Na–соли органических (низших) карбоновых и минеральных – соляной, серной и тиосерной кислот [3], однако по словам автора удалось достигнуть незначительного замещения отдельных марок угольных концентратов на угольные концентраты неиспользуемые (или не желательные) в шихтах коксования без значительных изменений качества кокса.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ получения электротехнического активированного угля, включающий предварительную пропитку карбонизата березовой древесины раствором ортофосфорной кислоты [4] и удаление серы при производстве полукокса из угля и угольных концентратов раствором ортофосфорной кислоты [5]. Данные способы выбраны в качестве прототипа заявленного изобретения.
Недостатком первого способа [4] прототипа является его недостаточная универсальность, поскольку в нем обработке подвергают карбонизат березовой древесины, а не каменные угли коксующихся марок, также при обработке карбонизата березовой древесины получают активированный уголь, который может быть использован в электротехнических целях, но никаким образом не может быть использован для производства высококачественного металлургического кокса. Помимо этого, способ прототип включает в себя обязательные технологические этапы для получения продукта (электротехнического активированного угля): сушку пропитанного сырья, ступенчатую или плавную карбонизацию в инертной атмосфере, парогазовую активацию, с последующей обработкой растворами щелочи, а затем азотной кислотой, промывку и сушку. Все эти этапы, в том числе этапы ввода дополнительных компонентов в шихту, обязательны для способа прототипа, и они сильно усложняют способ прототип.
Недостатком второго способа [5] прототипа является также его недостаточная универсальность, поскольку согласно данного способа получают полукокс с низким содержанием серы, который может быть использован только в энергетических целях. Данный продукт не является высококачественным металлургическим коксом необходимым в металлургической промышленности.
0
Помимо этого, способ прототип включает в себя обязательные технологические этапы для получения продукта (полукокса): во время нагрева введением в сосуд где находится обработанный уголь нейтральной или слабоокисленной среде, а после достижения 800 С в сосуд вводится воостановительная среда. Все эти этапы, в том числе этапы ввода дополнительных условий при которых производится нагрев, обязательны для способа прототипа, и они сильно усложняют способ прототип.
Техническим результатом изобретения является создание более универсального и простого способа изменения свойств угольных концентратов, за счет смачивания угольных концентратов раствором ортофосфорной кислоты.
Поставленный технический результат достигнут путем создания способа изменения свойств угольных концентратов, в котором смачивают угольные концентраты раствором ортофосфорной кислоты, отличающегося тем, что концентрация раствора ортофосфорной кислоты составляет от 1 до 30%, и ее выбирают в зависимости от качеств обрабатываемого угольного концентрата.
В предпочтительном варианте осуществления способа расход реагента выбирают в диапазоне от 10 до 300 кг/т, в зависимости от концентрации раствора ортофосфорной кислоты и величины улучшений показателей качества металлургического кокса, получаемого из обработанных посредством способа угольных концентратов.
В предпочтительном варианте осуществления способа смачивают угольные концентраты путем распыления раствора.
Для лучшего понимания заявленного изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими графическими материалами.
Табл. 1. Таблица показателей качества базовых и после обработки способом, выполненным согласно изобретению, угольных концентратов марки «К», имеющих низкую усадку, а также низкие показатели горячей прочности (CSR), реагентом с концентрацией ортофосфорной кислоты 23% и расходом 50 кг/т (или 5% от массы концентрата).
Фиг. 1. Пластометрические кривые до обработки реагентом угольного концентрата марки «К» способом, выполненным согласно изобретению.
Фиг. 2. Пластометрические кривые после обработки реагентом угольного концентрата марки «К» способом, выполненным согласно изобретению.
Табл. 2. Таблица показателей качества базовых и после обработки способом, выполненным согласно изобретению, угольных концентратов марки «Ж», имеющих низкие показатели горячей прочности (CSR), механической прочности М25 и высокие показатели по М10, реагентом с концентрацией ортофосфорной кислоты 23% и расходом 50 кг/т (или 5% от массы концентрата).
Фиг. 3. Пластометрические кривые до обработки реагентом угольного концентрата марки «Ж» способом, выполненным согласно изобретению.
Фиг. 4. Пластометрические кривые после обработки реагентом угольного концентрата марки «Ж» способом, выполненным согласно изобретению.
Табл. 3. Таблица показателей качества базовых и после обработки способом, выполненным согласно изобретению, угольных концентратов марки «Ж-2», имеющеих низкие показатели горячей прочности (CSR), механической прочности М25 и высокие показатели по М10, реагентом с концентрацией ортофосфорной кислоты 23% и расходом 30 кг/т (или 3% от массы концентрата).
Фиг. 5. Пластометрические кривые до обработки реагентом угольного концентрата марки «Ж-2» способом, выполненным согласно изобретению.
Фиг. 6. Пластометрические кривые после обработки реагентом угольного концентрата марки «Ж-2» способом, выполненным согласно изобретению.
Табл. 4. Таблица показателей качества базовых и после обработки способом, выполненным согласно изобретению, угольных концентратов марки «ГЖ» имеющих низкие показатели горячей прочности (CSR), механической прочности М25 и высокие показатели по М10, реагентом с концентрацией ортофосфорной кислоты 11,5% и расходом 50 кг/т (или 5% от массы концентрата).
Фиг. 7. Пластометрические кривые до обработки реагентом угольного концентрата марки «ГЖ» способом, выполненным согласно изобретению.
Фиг. 8. Пластометрические кривые после обработки реагентом угольного концентрата марки «ГЖ» способом, выполненным согласно изобретению.
Табл. 5. Таблица показателей качества базовых и после обработки способом, выполненным согласно изобретению, угольных концентратов марки «КЖ» имеющих низкую усадку, а также низкие показатели горячей прочности (CSR), реагентом с концентрацией ортофосфорной кислоты 11,5% и расходом 50 кг/т (или 5% от массы концентрата).
Фиг. 9. Пластометрические кривые до обработки реагентом угольного концентрата марки «КЖ» способом, выполненным согласно изобретению.
Фиг. 10. Пластометрические кривые после обработки реагентом угольного концентрата марки «КЖ» способом, выполненным согласно изобретению.
Рассмотрим более подробно заявленный способ изменения свойств угольных концентратов.
В обработанном заявленным способом угольном концентрате увеличивается усадка, а также увеличивается вязкость выделяемого битума при коксовании, с одновременным незначительным снижением толщины пластического слоя. Обработка реагентом в виде раствора ортофосфорной кислоты позволяет применять в угольной шихте коксохимического предприятия:
- низкоусадочные угольные концентраты марок ГЖ, Ж, КЖ, К;
- марки ГЖО и ГЖ, которые применяют в незначительном количестве;
- с целью улучшения коксуемости марки ГЖО, ГЖ, Ж, КЖ, К.
Доля обработанных заявленным способом угольных концентратов в угольной шихте может доходить от 20 до 80 % (в зависимости от конкретных шихт коксохимического предприятия) при этом получаемый металлургический кокс будет удовлетворять требованиям доменного производства. Данные свойства реагента позволяют улучшать качество кокса по следующим показателям: М25, М10, CSR, CRI.
Проведено значительное количество опытных коксований различных марок угольных концентратов при его обработке заявленным способом. Результаты исследований приведены ниже (Табл. 1 – 5, Фиг. 1 - 10).
При обработке угольных концентратов марки «К», имеющих низкую усадку, а также низкие показатели горячей прочности (CSR), реагентом с концентрацией ортофосфорной кислоты 23% и расходом 50 кг/т (или 5% от массы концентрата), были получены результаты, приведенные в Табл. 1. и на Фиг. 1 и 2. Усадка увеличилась на 38мм; CSR увеличился на 17,2%, а CRI снизился 33%; показатель М25 увеличился на 3,2%, а изменения по показателю М10 находятся в пределах погрешности.
При обработке угольных концентратов марки «Ж», имеющих низкие показатели горячей прочности (CSR), механической прочности М25 и высокие показатели по М10, реагентом с концентрацией ортофосфорной кислоты 23% и расходом 50 кг/т (или 5% от массы концентрата), были получены следующие результаты, приведенные в Табл. 2. и на Фиг. 3 и 4. Усадка увеличилась на 24мм; CSR увеличился на 8,9%, а CRI снизился 2,8%; показатель М25 увеличился на 2,6%, М10 снизился на 2,6%.
Повторный эксперимент с угольным концентратом маркой «Ж-2» при обработке реагентом с концентрацией ортофосфорной кислоты 23% и расходом 30 кг/т (или 3% от массы концентрата), дал следующие результаты, приведенные в Табл. 3. и на Фиг. 5 и 6. Усадка увеличилась на 19мм; CSR увеличился на 16,4%, а CRI снизился 5,1%; показатель М25 увеличился на 9,4%, М10 снизился на 1,5%.
При обработке угольных концентратов марки «ГЖ» имеющих низкие показатели горячей прочности (CSR), механической прочности М25 и высокие показатели по М10, реагентом с концентрацией ортофосфорной кислоты 11,5% и расходом 50 кг/т (или 5% от массы концентрата), были получены следующие результаты, приведенные в Табл. 4. и на Фиг. 7 и 8. Усадка увеличилась на 7мм; CSR увеличился на 9,2%, CRI остался на прежнем уровне; показатель М25 увеличился на 5,9%, М10 снизился на 3,9%.
При обработке угольных концентратов марки «КЖ» имеющих низкую усадку, а также низкие показатели горячей прочности (CSR), реагентом с концентрацией ортофосфорной кислоты 11,5% и расходом 50 кг/т (или 5% от массы концентрата), были получены следующие результаты, приведенные в Табл. 5. и на Фиг. 9 и 10. Усадка увеличилась на 27мм; CSR увеличился на 18,8%, CRI снизился на 6,8%; показатель М25 снизился на 2,2%, М10 снизился на 0,4%.
Из вышеперечисленного можно сделать вывод, что обработка реагентом в виде раствора ортофосфорной кислоты угольных концентратов разных марок значительно повлияла на физико-химические свойства углей во время их пластификации под воздействием температуры, что в свою очередь повлияло на увеличение показателей качества кокса получаемых из этих угольных концентратов.
С технической точки зрения заявленное изобретение реализуют следующим образом.
Обработку реагентом в виде раствора ортофосфорной кислоты выполняют путем распыления реагента на обрабатываемый угольный концентрат. Разбрызгивание реагента позволяет улучшить эффективность и экономичность обработки реагентом по сравнению с обычным наливанием реагента. Обработку реагентом реализуют при прохождения обрабатываемого материала по конвейерной ленте либо по уже существующей на любом уголеобрабатывающем предприятии технологической цепочке, либо по специально установленной технологической цепочке. Ни каких специальных механизмов для смачивания-разбрызгивания не требуется. Простейшая схема, состоящая из емкости необходимого объёма, насоса, запорно-регулировочной арматуры, и системы разбрызгивания позволяет достигнуть требуемого результата. Простота схемы реализации позволяет организовать обработку практически любого количества угольного концентрата, вплоть до 100% производства обогатительной фабрики, или коксохимического производства.
Заявленный способ изменения свойств угольных концентратов заключается в смачивании угольных концентратов реагентом (любым известным способом), состоящим из раствора ортофосфорной кислоты. Концентрация раствора составляет от 1 до 30%, и ее выбирают в зависимости от обрабатываемого угольного концентрата. Расход реагента выбирают из диапазона значений от 10 до 300 кг/т, и он зависит от концентрации реагента и оптимальной величины улучшений показателей качества металлургического кокса, получаемого из обработанных угольных концентратов.
Заявленный способ позволяет улучшить показатели качества металлургического кокса, получаемого из обработанных угольных концентратов.
Хотя описанный выше вариант выполнения изобретения был изложен с целью иллюстрации заявленного изобретения, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла заявленного изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.
Список литературы
1. Исследование влияния добавки отходов производства капролактама и диафена «ФП» на процессы коксования углей / Отчёт о НИР ВЦНТИ. №ГР81076938 // Научн. Рук. Работы И.А. Ощепков. –Кемерово: КузГТУ. 1984. – 64 с.
2. Стуков М.И., Загайнов В.С., Куколев Я.Б., Андрейчиков Н.С., Штарк П.В., Вишняков А.В., Антонова В.А., Соболева С.Н. Исследование возможности использования «Модифицированного» нефтяного кокса в качестве коксующей добавки к угольной шихте с целью повышения прочностных показателей металлургического кокса. – Кокс и химия. 2009. № 8. С. 12-15.
3. Ощепков И.А. О коксовании углей с добавками Na–солей органических и минеральных кислот. – Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2006. №5 (56). С 102-105.
4. Адрианов М.Н., Заручейская Н.М., Чебыкин В.В., Дворецкий Г.В., Карев В.А., Паршенков М.В., Попов В.П. патент RU 2 223 911, «Способ получения активированного угля для электротехнических целей», Опубликован – 20.02.2004 Бюл. №5
5. J. Santagelo, T. Dorchak патент US 3812017, «Обработка твердых топлив для улучшения их сгорания химическими средствами», Опубликован – 21.05.1974.