СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ШИХТЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОКСА
METHOD FOR CHARGE FORMING FOR FURNACE COKE OBTAINING

Изобретение относится к коксохимическому производству, в частности к способу формирования угольной шихты для коксования.
С переходом к рыночным методам хозяйствования произошло разрушение сложившейся сырьевой угольной базы комбинатов, и на данный период она характеризуется существенной нестабильностью как марочного состава поставляемых углей и концентратов, так и непостоянством показателей их качества. Одновременно нарастает дефицит наиболее ценных по коксуемости углей марок Ж, К, КО, ОС. В данных условиях вопросы оперативной и рациональной шихтовки принимают особую актуальность.
Предпринимались различные попытки восполнить недостающие в шихте основные группы путем введения специально подготовленных спекающих, коксующих или отощающих добавок.
Известен способ формирования шихты для производства металлургического кокса из технологических углей, таких как жирные, газовые жирные, коксовые слабоспекающиеся, отощенные спекающиеся, в котором в качестве спекающей добавки используют сапромикситовый уголь, в котором сначала снижают содержание золы и пиритной серы, затем производят ультратонкий помол до частиц размером 5-50 мкм и равномерно перемешивают с другими компонентами, добавляя некоторое количество углей энергетических марок (патент РФ №2312883, кл. С10В 57/04, опубл. 20.12.2007).
Известна также шихта для получения металлургического кокса (патент РФ №2224782, кл. С10В 57/04, опубл. 27.02.2004), содержащая жирные, отощенно-спекающиеся угли и спекающую добавку, которая дополнительно содержит газовожирные, коксовые слабоспекающиеся угли, а спекающая добавка получена путем смешения пекообразного продукта с отходами пластмасс в соотношении 1:0,1-0,2, нагрева смеси до 300-350°С в течение 0,5-1,0 часа при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Газовожирные угли
15-20
Жирные угли
20-30
Коксовые слабоспекающиеся угли
20-40
Спекающая добавка
3-6
Отощенно-спекающиеся угли
остальное
Существенным недостатком данных шихт является увеличение себестоимости кокса и необходимость специальных технологических мероприятий в процессе подготовки шихты к коксованию.
Известен способ определения оптимального состава угольной шихты, состоящей из спекающих, отощающих, коксовых компонентов, с помощью расчета коэффициента оптимальности (патент РФ №2355730, кл. С10В 57/04, опубл. 20.05.2007).
Основным недостаткам данного способа является отсутствие возможности отнести конкретных поставщиков к одному из компонентов угольной шихты, если в состав поступающего угольного концентрата входят угли относящиеся к разным технологическим маркам.
В качестве прототипа выбрана шихта для получения металлургического кокса (патент РФ №2334779, кл. С10В 57/04, опубл. 27.09.2008), содержащая газовожирные, жирные, коксовые спекающиеся, отощенно-спекающиеся угли, в состав которой дополнительно введены коксовые отощенные угли при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Жирные угли
12-48
Отощенно-спекающиеся угли
11-57
Газовожирные угли
2-34
Коксовые спекающиеся
1-30
Коксовые отощенные угли
1-17
В настоящее время значительная часть компонентов угольной шихты представлена концентратами обогатительных фабрик. Концентраты, как правило, являются смесью углей нескольких марок и не могут быть отнесены к определенной шахтогруппе с применением ГОСТ 25543. Также в связи со сложившейся ситуацией на угольном рынке зачастую отсутствует возможность обеспечения коксохимических предприятий всеми заявленными марками угля. Поэтом существенным недостатком данной шихты для получения металлургического кокса являются:
- отсутствие возможности отнести поступающие концентраты к шахтогруппе только исходя из классификационного ГОСТа;
- отсутствие качественных показателей для отнесения к той или иной шахтогруппе;
- отсутствие сформулированного критерия для сравнения и выбора оптимальной шихты;
- не предусмотрены варианты введения в шихту отходов КХП и условно коксующихся углей для снижения себестоимости и исключения загрязнения окружающей среды.
Задачей изобретения является разработка способа, позволяющего подобрать оптимальное соотношение поступающих угольных концентратов (использовать любой набор) с получением максимально возможного качества кокса для доменного производства. При этом учитываются особенности и потребности технологии коксохимического производства, предусмотрены возможность утилизации отходов коксохимического производства, снижения себестоимости шихты за счет углей, условно пригодных к коксованию, увеличения производительности коксовых печей и снижения себестоимости кокса.
daf
Поставленная задача решается тем, что из поступающих на коксование углей и угольных концентратов составляют шахтогруппы в зависимости от показателя отражения витринита (Ro, %), выхода летучих веществ (V, %) и толщины пластического слоя (У, мм), которые имеют следующие характеристики:
daf
шахтогруппа газовых углей (ГГУ): Ro<0,85%, V>34, %, У≥12 мм;
daf
шахтогруппа жирных углей (ГЖУ): Ro=0,85-1,05%, V=30,0-34,0%, У≥14 мм;
daf
шахтогруппа коксовых углей (ГКУ): Ro=1,06-1,30%, V=20,0-29,9%, У≥10 мм;
daf
шахтогруппа коксовых слабоспекающихся углей (ГКСУ): Ro=1,06-1,30%, V=20,0-29,9%, У≥10 мм;
daf
шахтогруппа отощенно-спекающихся углей (ГОСУ): Ro>1,30%, V<20,0%, У≥8 мм;
шахтогруппу условно пригодное сырье для коксования (УПС) формируют из отходов коксохимического производства и/или углей, условно пригодных к коксованию, определяют оптимальный состав шихты из расчета ожидаемых качественных характеристик кокса (Ad, % - зола, Sd, % - cepa, прочность кокса - М40, %; М10, %), при этом шихту составляют из шахтогрупп при следующем соотношении компонентов, мас.%:
ГГУ - шахтогруппа газовые угли
0-50%
ГЖУ - шахтогруппа жирные угли
30-70%
ГКУ - шахтогруппа коксовые угли
0-50%
ГКСУ - шахтогруппа коксовые слабоспекающиеся угли
0-30%
ГОСУ - шахтогруппа отощенно-спекающиеся угли
0-50%
добавка УПС - шахтогруппа условно пригодное сырье для коксования
0-6%
При формировании шахтогруппы (УПС):
- из отходов коксохимического производства, которыми являются фусы, коксовая пыль, коксовый шлам, их количество в шихте на коксование не превышает 1%;
- из углей, условно пригодных для коксования, используются угли, содержащие более 50% марок по ГОСТ 25543: коксовые слабоспекающиеся низкометаморфизованные (КСН), тощие (Т), тощие спекающиеся (ТС), газовые (Г), при этом их количество в шихте на коксование не превышает 5%.
Сущность заявляемого технического решения.
Для получения максимально возможного качества кокса из поступающих угольных концентратов предлагается способ формирования оптимального состава шихты, состоящий из трех этапов.
daf
Первый этап оптимизации шихты состоит из распределения угля по шахтогруппам, исходя из качественных показателей поступающего угольного сырья (оценка поступающего угольного сырья с точки зрения коксуемости и строя шихты). Основным показателем для разделения углей на шахтогруппы принят показатель отражения витринита (Ro, %). Оптические свойства углей широко используются для характеристики углей и установления стадии метаморфизма, так как существует связь между показателем отражения витринита и содержанием углерода, выходом летучих веществ и другими параметрами состава и структуры углей (Агушевич И.В. Броновец Т.М. и др. Стандартные методы испытания углей. Классификация углей. - М.: НТК Терек, 2008. - 368 с., с.241-242). Вспомогательные характеристики для определения шахтогруппы: выход летучих веществ (V, %), толщина пластического слоя (У, мм).
Для разделения углей на шахтогруппы определены следующие характеристики:
daf
шахтогруппа газовых углей (ГГУ): Ro<0,85%, V>34, %, У≥12 мм;
daf
шахтогруппа жирных углей (ГЖУ): Ro=0,85-1,05%, V=30,0-34,0%, У≥14 мм;
daf
шахтогруппа коксовых углей (ГКУ): Ro=1,06-1,30%, V=20,0-29,9%, У≥10 мм;
daf
шахтогруппа коксовых слабоспекающихся углей (ГКСУ): Ro=1,06-1,30%, V=20,0-29,9%, У≥10 мм;
daf
шахтогруппа отощенно-спекающихся углей (ГОСУ): Ro>1,30%, V<20,0%, У≥8 мм;
шахтогруппу условно пригодное сырье для коксования (УПС) формируют из отходов коксохимического производства (фусы, коксовая пыль, коксовый шлам) - не более 1% в шихте на коксование и/или углей, условно пригодных к коксованию (содержащих более 50% марок КСН, Т, ТС, Г по ГОСТ 25543) - не более 5% в шихте на коксование.
Характеристики шахтогруппам установлены, исходя из требований к каждой шахтогруппе и ее роли в процессе коксования. Также объединение в шахтогруппы поставщиков с близкими качественными характеристиками позволяет повысить равномерность по качественным показателям шихты для коксования.
На втором этапе оптимизации шихты составляют варианты процентного соотношения шахтогрупп, укладывающиеся в заданные для каждой шахтогруппы пределы с учетом:
- фактических поставок;
- возможности утилизации отходов коксохимического производства и снижение себестоимости шихты за счет углей, условно пригодных к коксованию;
- исключения вариантов, не отвечающих технологии коксования (снижение выхода кокса, увеличение амперажей);
- коэффициента оптимального соотношения (способности газовожирных и жирных углей разных месторождений принимать различное количество отощающих углей).
Для составленных вариантов шихты рассчитываются прогнозные качественные характеристики кокса.
Аналогом расчета является математическая модель на основе химико-петраграфических параметров угольной шихты с учетом периода коксования и технологии тушения кокса (Станкевич А.С. и др. Рациональное распределение углей и оптимизация состава шихт для коксования. Кокс и химия. 2003. №9, с.8-16.)
На третьем этапе из рассчитанных качественных характеристик кокса определяют оптимальный вариант состава шихты на коксование с учетом технологических и экономических показателей работы коксохимического производства и требований доменного процесса и составляют шихту из шахтогрупп при следующем соотношении компонентов, мас.%:
ГГУ - шахтогруппа газовые угли
0-50%
ГЖУ - шахтогруппа жирные угли
30-70%
ГКУ - шахтогруппа коксовые угли
0-50%
ГКСУ - шахтогруппа коксовые слабоспекающиеся угли
0-30%
ГОСУ - шахтогруппа отощенно-спекающиеся угли
0-50%
добавка УПС шахтогруппа условно пригодное сырье для коксования
0-6%
Заявленные пределы подобраны экспериментальным путем.
Шахтогруппа ГЖУ является основным компонентом, составляющим шихту для коксования. Содержание шахтогруппы ГЖУ менее 30% снижает прочностные характеристики кокса. При увеличении более 70% получаемая шихта является переожирненной, что не только приводит к снижению прочности кокса, но и влияет на технико-эксплуатационные параметры коксовых батарей.
Шахтогруппа ГГУ вводится в шихту как дополнение или частичная замена углей ГЖУ с целью снижения себестоимости шихты. При увеличении данной шахтогруппы более 50% резко снижается показатель прочности кокса М10.
Шахто-группа ГКУ является коксообразующей и включает угли ценных марок. Увеличение более 50% является необоснованным, так как при незначительном улучшении прочностных характеристик получаемого кокса значительно возрастает его себестоимость.
Шахтогруппы ГКСУ, ГОСУ относятся к отощенно-спекающей части шихты для коксования и являются как взаимозаменяемыми, так и взаимодополняющими друг друга шахтогруппами. Ограничения по верхнему пределу подобраны экспериментальным путем исходя из технологических возможностей коксовых батарей, что: минимизирует возникновение повышенных амперажей, бурение коксовых печей, разрушение кладки, увеличивает срок эксплуатации коксовых батарей.
Шахтогруппа УПС вводится в шихту как добавка с целью возможности утилизации отходов коксохимического производства и снижения себестоимости шихты.
При формировании шахтогруппы (УПС):
- из отходов коксохимического производства, которыми являются фусы, коксовая пыль, коксовый шлам, их количество в шихте на коксование не превышает 1%;
- из углей, условно пригодных для коксования, используются угли, содержащие более 50% марок по ГОСТ 25543: коксовые слабоспекающиеся низкометаморфизованные (КСН), тощие (Т), тощие спекающиеся (ТС), газовые (Г), при этом их количество в шихте на коксование не превышает 5%.
Примеры реализации способа.
1. Цель: Определение максимально возможного участия углей «ЦОФ Печорская ГЖО» в шихте на коксование без значительного ухудшения прочностных характеристик кокса.
Таблица 1
Варианты шихты на коксование
шахтогруппа
Состав шихты, %
Базовый
1
2
3
4
5
6
7
ГГУ
ЦОФ Печорская
9
18
20
23
26
29
32,0
35,0
ГЖУ
ЦОФ Печорская
65
56
47
44
41
38
35,0
32,0
ГКУ
ЦОФ Печорская
8
8
8
8
8
8
8,0
8,0
ГОСУ
ЦОФ Сибирь
18
18
25
25
25
25
25,0
25,0
Итого
100
100
100
100
100
100
100
100
Расчетные показатели готовой шихты
Ad, %
8,9
8,9
8,9
8,9
8,9
8,9
8,9
8,9
Vd, %
25,8
26,8
26,0
26,1
26,1
26,4
26,5
27,0
У, мм
14,6
15,2
14,3
14,1
13,9
13,7
13,5
13,3
Ro, %
1,075
1,047
1,066
1,060
1,054
1,049
1,043
1,037
Sd, %
0,67
0,72
0,72
0,74
0,77
0,79
0,82
0,84
Расчетные показатели кокса
3-4 батареи
Ad, %
11,4
11,4
11,4
11,4
11,4
11,4
11,4
11,4
Sd, %
0,56
0,59
0,59
0,62
0,64
0,66
0,68
0,70
М40, %
80,0
79,1
79,8
79,6
79,5
79,4
79,2
79,1
М10, %
7,9
8,7
8,1
8,2
8,3
8,5
8,6
8,7
5-6 батареи
Ad, %
11,4
11,4
11,4
11,4
11,4
11,4
11,4
11,4
Sd, %
0,56
0,59
0,59
0,62
0,64
0,66
0,68
0,70
М40, %
75,4
74,4
75,2
75,1
75,0
74,9
74,8
74,7
М10, %
7,9
8,6
8,1
8,3
8,4
8,5
8,6
8,8
7-10 батареи
Ad, %
11,4
11,4
11,4
11,4
11,4
11,4
11,4
11,4
Sd, %
0,56
0,58
0,59
0,62
0,64
0,66
0,68
0,70
М40, %
80,4
80,3
80,2
80,1
80,0
79,8
79,7
79,5
М10, %
7,9
8,0
8,1
8,2
8,3
8,4
8,6
8,7
По проведенным расчетам выбран вариант 3, который обеспечивает заданное качество кокса при снижении его себестоимости. Вариант 4 со снижением качества кокса требует промышленной проверки.
2. Цель: Снижение себестоимости шихты за счет максимально возможного участия углей «ОФ Анжерская КСН» в шихте на коксование без значительного ухудшения прочностных характеристик кокса.
Таблица 2
Варианты шихты на коксование
шахтогруппа
Состав шихты %
Базовый
1
2
3
4
ГГУ
ЦОФ Печорская
16
16
16
16
16
ГЖУ
ЦОФ Печорская
49
49
49
51
49
ГКУ
ЦОФ Печорская
5
5
5
5
5
ОФ Бачатый
11
8
5
7
11
ГОСУ
ЦОФ Сибирь
19
19
19
15
13
УПС
ОФ Анжерская
3
6
6
6
Итого
100
100
100
100
100
Расчетные показатели готовой шихты
Ad, %
8,7
8,8
8,9
8,8
8,7
Vd, %
26,3
26,3
26,2
26,3
26,4
У, мм
14,2
14,1
14,0
14,1
14,1
Ro, %
1,061
1,061
1,061
1,056
1,050
Sd, %
0,67
0,68
0,68
0,68
0,68
Расчетные показатели кокса
3-4 батареи
Ad, %
11,3
11,4
11,5
11,4
11,3
Sd, %
0,55
0,55
0,55
0,56
0,56
М40, %
77,3
77,3
77,2
77,1
77,1
М10, %
7,7
7,8
7,9
7,9
8,0
5-6 батареи
Ad, %
11,3
11,4
11,5
11,4
11,3
Sd, %
0,55
0,55
0,55
0,56
0,56
М40, %
77,3
77,3
77,2
77,2
77,1
М10, %
7,6
7,7
7,8
7,8
7,9
7-10 батареи
Ad, %
11,2
11,3
11,5
11,4
11,3
Sd, %
0,56
0,56
0,56
0,56
0,56
М40, %
82,0
81,9
81,8
81,8
81,7
М10, %
7,3
7,3
7,4
7,5
7,5
По проведенным расчетам выбран вариант 3, который обеспечивает снижение себестоимости кокса на 9,6% при незначительном снижении качества.
Систематическая работа по подбору шихты для коксования с использованием данного способа ведется с ноября 2008 года, в результате произошло значительное улучшение качества кокса ЧерМК. Как видно из таблицы №3, прочностные характеристики кокса улучшились по всем трем блокам коксовых батарей.
Таблица 3
2008 г.
Коксовый цех №1
Коксовый цех №2
Кб №№3-4
Кб №№5-6
Кб №№8-10
М40, %
М10, %
М40, %
М10, %
М40, %
М10, %
январь
75,1
8,4
72,3
7,7
79,0
7,9
февраль
73,5
8,6
73,2
7,8
78,9
7,8
март
78,8
8,1
74,4
7,9
78,9
7,8
апрель
76,5
8,5
75,0
7,8
79,1
7,8
май
77,6
8,1
74,6
7,6
79,1
7,7
июнь
76,4
8,2
74,0
7,7
78,9
7,8
июль
75,8
8,5
73,3
8,1
79,3
7,8
август
78,3
8,3
71,1
8,1
79,1
7,8
сентябрь
76,8
8,4
71,6
8,2
79,2
7,8
октябрь
79,5
8,1
73,8
7,8
79,4
7,8
Среднее
76,8
8,3
73,3
7,9
79,1
7,8
ноябрь
80,2
8,1
78,7
7,1
81,4
7,7
декабрь
81,4
8,1
78,7
7,1
79,4
7,7
январь
80,1
8,0
75,3
7,6
80,4
7,7
февраль
80,8
8,0
74,3
7,9
80,2
7,7
март
80,6
7,9
74,8
7,9
81,2
7,6
апрель
80,0
7,9
76,5
7,8
81,9
7,5
май
81,3
7,8
78,5
7,6
82,5
7,3
июнь
79,4
8,2
78,3
8,0
82,3
7,4
июль
80,3
8,1
80
7,9
82,5
7,3
август
81,7
7,7
79,1
7,8
83,1
7,2
сентябрь
81,2
7,7
78,8
7,9
83,1
7,2
Среднее
80,6
7,9
77,6
7,6
81,6
7,4
Разница прочностных характеристик кокса до и после внедрения
+3,8
-0,4
+4,3
-0,3
+2,5
-0,4
В соответствии с чертежами установлена тесная корреляционная связь между фактическими и расчетными показателями прочности кокса.
Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что его реализация позволила увеличить производительность коксовых печей на 0,3-0,5%, при этом повышена механическая прочность кокса с увеличением показателя по М40 на 2,5-4,3% и уменьшением показателя по М10 на 0,3-0,4%, снижена себестоимость кокса на 3,2%.
Таким образом, заявленный способ составления шихты позволяет подобрать лучшее соотношение поступающих на коксование углей и оптимизировать шихту как по технологическим, так и по экономическим показателям с получением максимально возможного качества кокса для доменного производства, решить задачи утилизации вредных отходов коксохимического производства, увеличения производительности коксовых печей и снижения себестоимости кокса.