Процесс коксования

Каменный уголь, запасы которого очень велики, не может быть, к сожалению, непосредственно использован в качестве топлива в шахтных печах. Уголь содержит 20-40% летучих веществ, которые уже при нагреве до 250–350 °С и выше начинают интенсивно выделяться, разрывая куски самого прочного угля с образованием уголь- ной пыли. Эта пыль забивает пустоты между более крупными кусками руды, агломерата, окатышами, резко ухудшает газопроницаемость столба шихты в печи, загромождая горн печи угольной пылью и мусором. Работа доменных печей на угле всегда связана со снижением технико-экономических показателей плавки, а затем с тяжелыми расстройствами хода и авариями.

С начала железного века основным горючим в сыродутных горнах, а затем в домницах и доменных печах был древесный уголь – продукт пиролиза древесины при 350– 650 °С. Наиболее древним является так называемый «кучной» способ производства древесного угля. В современных углевыжигательных печах вагонетки с древесными чурками последовательно проходят через секции камерной печи, где идет пиролиз древесины и куда непрерывно подаются нагретые в топках продукты сгорания дров и угля. Выход древесного угля из дров колеблется обычно в пределах от 60 до 74% об. Кажущаяся плотность древесного угля равна: 0,38 г/см³ (березовый уголь); 0,29 г/см³ (сосновый уголь); 0,26 г/см³ (еловый уголь). Насыпная масса 1 м³ сухого печного древесного угля составляет 130–200 кг/м³. Механическая прочность древесного угля невелика и позволяет осуществлять плавку на нем лишь в доменных печах с полезной высотой до 18 м.

Древесный уголь обладает высокой реакционной способностью и горючестью, что связано с его огромной пористостью (80–87%). В связи с этим древесный уголь горит перед воздушными фурмами доменной печи в окислительных зонах небольшого объема, что препятствует работе с высоконагретым дутьем, также уменьшающим размеры окислительных зон.

По химическому составу древесный уголь выгодно отличается от кокса малой зольностью (1–2% А) и чистотой по сере (0,05%) и фосфору (0,1–0,07% Р). Содержание нелетучего углерода составляет в печном угле 72–75% при 26% летучих веществ, выделяющихся при его нагреве в доменной печи. Чистота древесного угля позволяет выплавлять высококачественный передельный и литейный чугуны. Однако быстрое увеличение масштабов древесноугольной доменной плавки привело к уничтожению значительной части лесов в европейских странах.

В настоящее время выплавка древесноугольного чугуна в больших масштабах ведется лишь в Бразилии, где на огромных площадях в бассейне реки Амазонки вырубаются леса, а оборот рубки эвкалипта составляет всего 7 лет (для сравнения: оборот рубки хвойных деревьев на Урале 60–70 лет).

В связи с ограничениями рубки леса в ХVI–ХVIII вв. были вновь предприняты многочисленные попытки доменной плавки на каменном угле, но все они закончились неудачей. Необходимо было создать новое искусственное топливо для доменных печей. Таким топливом и стал каменноугольный кокс.

Процесс высокотемпературного коксования угля заключается в пиролизе угля без доступа воздуха при 900–1100°С в течение 14–18 ч.

Перед загрузкой в коксовую печь угольная шихта измельчается до фракции 3 мм. Компоненты шихты усредняются по составу на специальных складах, затем тщательно смешиваются.

После укладки шихты в печь и выравнивания ее поверхности печь тщательно герметизируется. Нагрев шихты в печи происходит только посредством теплопроводности от двух стен, внутри которых в отопительных простенках сжигается смесь доменного и коксового газов при температурах до 1350–1400 °С.

Задача процесса коксования состоит в удалении главной массы летучих веществ еще в коксовой печи и создании прочного кускового продукта, содержащего не более 1,5–2% летучих веществ, для предотвращения разрушения кокса в доменной печи. Выделяющиеся из шихты газы немедленно отводятся из печи через специальные отверстия

Различают следующие последовательно протекающие стадии высокотемпературного коксования каменного угля:

1. Сушка угля при температуре до 100–120 °С.

2. Нагрев угля до 300–350 °С. Происходит физический прогрев частиц без разрушения (деструкции) легкоплавких соединений – битумов, при распаде которых и выделяются летучие вещества. Некоксующийся уголь на этой стадии выделяет большую массу летучих, битумы в них подвергаются деструкции, уголь теряет способность плавиться и кокс из него не может быть получен.

3. Размягчение и плавление угля при 350–500 °С. Первыми плавятся легкоплавкие битумы. В образовавшемся первичном расплаве растворяется вся остальная масса угольной шихты. Лишь небольшая часть угольных частиц сохраняет свою индивидуальность и не растворяется в жидкой фазе. Из расплава интенсивно выделяются летучие, что резко меняет его химический состав, увеличивает вязкость. Поры в коксе – это пузыри и трубки, по которым двигались летучие в массе расплава; стенки их твердеют и сохраняются затем в готовом продукте.

4. При 500–600 °С расплав затвердевает в виде первого, еще слабого в механическом отношении продукта – полукокса, содержащего обычно еще около 50% всех летучих исходной угольной шихты.

5. При 600–1100 °С осуществляется многочасовое прокаливание кокса, что позволяет почти полностью удалить из него летучие, провести частичную графитизацию вещества кокса, т.е. превращение аморфного углерода в кристаллический гексагональный графит. Степень графитизации готового кокса по экспериментальным данным составляет 15–20%. В ходе перекристаллизации и спекания вещества кокса при 600–1100 °С его прочность и твердость возрастают в 30–40 раз.

На рисунке 3.1 показана форма рабочего пространства коксовой печи, которая представляет собой прямоугольный параллелепипед, слегка расширяющийся в сторону выдачи кокса. Процесс коксования идет в ней от двух продольных стен печи в направлении к оси печи (рисунок 3.2). Так как объем готового коксового пирога меньше объема угольной шихты, по оси пирога образуется вертикальная трещина – «развал».

Средний выход металлургического кокса (>25 мм) от общего составляет 93–94%.

Рисунок 3.1 – Камера коксовой печи

I-IV – последовательные стадии коксования; 1 – шихта; 2 – пластический слой; 3 – полукокс; 4 – кокс; 5 – осевая вертикальная трещина

Рисунок 3.2 – Стадии коксования угля

В процессе коксования угольная шихта теряет 300–330 м³ летучих/т шихты. Выделяющиеся из коксовой печи летучие («грязный» коксовый газ) направляются в химические цехи, где из них извлекают смолы, аммиак, бензол и другие ценные компоненты. При их дальнейшей переработке получают более 500 ценных продуктов, таких как лаки, краски, растворители, сульфат аммония, нафталин, серу, лекарства и взрывчатые вещества, минеральные масла и т.д.

Очищенный коксовый газ содержит, %: 60 Н₂ 26 СН₄; 2,7 N₂; 2,6 СО₂; 2,2 С_mН_n; 0,5 О₂. Его теплота сгорания близка к 18400 кДж/м₃. Коксовый газ широко используется на металлургических заводах для отопления коксовых батарей, мартеновских печей, кауперов, для вдувания в фурмы доменных печей с целью экономии кокса.

За последние годы традиционный процесс коксования угля был значительно усовершенствован. Предварительное брикетирование угольной шихты или ее трамбовка в самой коксовой печи позволяют увеличить массу шихты в камере печи, улучшить качество кокса и повысить производительность печей.

Особенно эффективен предварительный подогрев угольной шихты нагретым азотом в реакторе с кипящим слоем до 180–220 °С. Подогрев шихты перед ее загрузкой в печь позволяет сократить период коксования до 6–8 ч, т.е. на 40–50%, повысить производительность коксовых печей в среднем в 2 раза.

Во многих странах ощущается нехватка коксующихся углей, запасы которых невелики. Весьма характерным примером в этом отношении является современное положение Кузбасса, в котором только 7–12% всех запасов угля относятся к категории коксующихся. Запасы же некоксующихся углей огромны, что придает особую важность проблеме получения прочного кокса из некоксующихся углей. Эффективная методика получения кокса из такого рода углей была разработана проф. Л.М. Сапожниковым в 1955 г. в Институте горючих ископаемых АМ СССР. Основная идея изобретения заключается в скоростном нагреве угольной шихты (3 мм) в установках с кипящим слоем в вихревых камерах. Скорость нагрева в этих аппаратах настолько высока, что угольная шихта при температуре до 350 °С не успевает отдать в газовую фазу летучие вещества и частично плавится. После выдержки (1–2 мин) в области плавления угольного вещества шихта формуется под небольшим давлением (0,2–0,5 МПа) в брикеты, подвергающиеся затем прокаливанию в шахтной печи, где по мере опускания они проходят температурные зоны от 350 до 800 °С (время прокаливания – 2 ч). Прочность формованного кокса, полученного по рассмотренной технологии, оказывается более высокой, чем прочность обычного кокса. Первая доменная плавка на формованном коксе, проведенная в СССР в 1972 г, дала положительный результат. Ход доменной печи и технико-экономические показатели плавки на новом топливе были лучше, чем на донецком коксе. Многочисленные опыты за рубежом также показали, что формованный кокс является полноценной заменой обычного каменноугольного кокса.

Поиск по сайту: