Источник: В.Е. Диденко, Технология приготовления угольных шихт для коксования. - К.: Выща шк. Головное изд-во., 1989. 288с.; 101 рис., 34 табл.- Библиогр.: 18 назв., с. 237-241
Повышение требований к качеству кокса, вызванное увеличением объема доменных печей и интенсификацией доменной плавки, а также ухудшением сырьевой базы коксования, вызывают необходимость дальнейшего совершенствования технологии приготовления угольных шихт для коксования. В связи с указанным большой интерес представляет термическая подготовка углей перед загрузкой в камеры коксования. Внимание, которое уделяется этому методу, объясняется тем, что при его реализации создается возможность: значительно интенсифицировать процесс слоевого коксования — повысить производительность коксовых печей; использовать в шихте для коксования значительно больше слабоспекающихся углей; улучшить технико-экономические показатели производства кокса при некотором повышении его качества.
Кроме указанных основных преимуществ нового метода можно еще назвать снижение расхода теплоты на коксование, уменьшение термических ударов на огнеупорную кладку камер коксования, снижение нагрузок на конденсационную аппаратуру химических цехов в связи с уменьшением количества водяных паров в коксовом газе, а также значительное сокращение количества сточных вод.
Метод термической подготовки углей перед коксованием является одним из наиболее эффективных среди других новых методов интенсификации производства кокса. В настоящее время термической подготовке подвергаются угольные шихты, хотя такая подготовка перед коксованием отдельных компонентов шихты (например, газовых углей) при определенных условиях может оказаться также эффективной даже при самостоятельном их коксовании.
Под термической подготовкой шихты перед коксованием подразумевают два процесса: глубокая сушка шихты с доведением ее влажности до 0,5—2 %, предварительный нагрев шихты вне камеры коксования примерно до 423 К. Как глубокая сушка, так и термическая подготовка осуществляются путем теплообмена при непосредственном контакте угольных частичек с газообразным или твердым теплоносителем. Продолжительность нагревания в теплообменных аппаратах с твердым теплоносителем составляет 4—10 мин, в псевдокипя-щем слое — 0,5—2 мин и в потоке газа-теплоносителя — 0,3— 1,5 с.
Глубокая сушка (373—383 К), сопровождающаяся полным удалением гигроскопической влаги, позволяет лишь незначительно увеличить в шихтах количество слабоспекающихся углей. В этом процессе все изменения в качестве кокса и производительности коксовых печей определяются только увеличением насыпной плотности и скорости коксования сухих углей.
Как показали исследования, проведенные в УХИНе (Ю. Б. Тютинников и Л. Г. Синцерова), термическая подготовка при температуре 423—473 К приводит к новым качественным изменениям углей. В отличие от сушки процесс предварительного нагрева осуществляется при температурах, когда начинается и происходит деструкция органической массы углей. Характер ее во многом зависит от скорости подъема температуры, среды, конечной температуры нагрева и ряда других факторов. Поэтому получение кокса того или иного качества из термически подготовленных углей будет в значительной степени определяться условиями предварительного нагрева.
Угли неодинаковой степени метаморфизма в процессе термической подготовки ведут себя различно, что указывает на различные термохимические превращения, происходящие в их органической массе, и особенности их молекулярной структуры. При этом замечено, что предварительный нагрев углей сказывается на качестве кокса тем эффективнее, чем меньше степень метаморфизма подготавливаемых углей. Исследования, проведенные по определению элементного состава термически неустойчивой части макромолекул углей, свидетельствуют о том, что в процессе скоростного предварительного нагрева тепловая энергия расходуется в основном на усиление колебаний отдельных атомов и структурных единиц. Только у маломе-таморфизированных углей это приводит к диссоциации связей с гер-монеустойчивыми функциональными группами.
В процессе предварительного нагрева в первую очередь ослабляются связи с кислородом. Из всех кислородсодержащих функциональных групп в процессе термической подготовки углей происходит диссоциация связей только карбоксильных групп Количество карбонильных и гидроксильных групп с повышением температуры предварительного нагрева увеличивается. Это указывает на происходящий разрыв основного количества водородных связей и освобождение этих групп от сопряжения. Следовательно, в процессе скоростного предварительного нагрева изменяется энергетическое состояние макромолекул углей (в связи с усилением колебаний отдельных структурных единиц и функциональных групп). Наряду с этим в органической массе углей происходят заметные внутримолекулярные изменения, обусловленные диссоциацией связей с карбоксильными группами и разрывом основного количества водородных связей. Глубина этих изменений определяется как степенью метаморфизма углей, так и температурой предварительного нагрева.
Температура предварительного нагрева должна быть ниже температуры химической термостойкости углей. Термостойкость углей так же, как и других высокомолекулярных материалов, определяется уровнем температуры, при которой начинается разложение органической массы в результате разрыва ковалентных связей с образованием газовой фазы. При превышении температуры, характеризующей химическую термостойкость углей, наступают изменения их свойств и прерывание нагрева вызывает снижение спекаемости углей из-за термического разложения, активирования остаточного материала и его необратимой поликонденсации. Поэтому одним из основных принципов термической подготовки углей к слоевому коксованию является ограничение температуры их нагревания. Температура химической термостойкости углей возрастает с увеличением степени их метаморфизма, соответственно может возрастать и конечная температура их термической подготовки.
При термической подготовке шихты определенное значение имеет ее гранулометрический состав. При наличии крупных частичек угля создается опасность недостаточного прогрева их по всему объему. Для более равномерного нагрева всей массы угля следовало бы измельчать его более тонко. В то же время установлено, что тонкое измельчение углей нежелательно с точки зрения ухудшения их свойств спекаемости. Это обстоятельство имеет особое значение для малометаморфизированных углей. Для правильного решения вопроса о технологическом режиме предварительного нагрева необходимо выяснить влияние термической обработки на органическую массу углей разного гранулометрического состава и сущность происходящих при этом термохимических превращений. Конструкции устройств для термической обработки шихты должны обеспечивать равномерный нагрев разновеликих угольных частичек.
Насыпная плотность нагреваемых углей, как показали наблюдения, вначале повышается, а затем при нагревании выше 473 К несколько уменьшается. Это объясняют разрыхлением угольных частичек, началом выделения газов и первых жидких погонов, изменяющих поверхность частичек, что приводит к стеснению их взаимного перемещения и ухудшению упаковки. Максимальные значения насыпных плотностей имели угли, нагретые в пределах 423—473 К, и при дальнейшем повышении температуры наблюдалось уменьшение этого показателя. С этой точки зрения предварительный нагрев углей выше 473 К, очевидно, нецелесообразен.
Исследования УХИНа показали, что значительное повышение производительности коксовых печей наблюдалось при нагреве шихты до 400 К. Нагревание ее выше этой температуры не приводит к заметному росту производительности. Поэтому нагрев шихты до 473 К целесообразно производить только при наибольшем привлечении в ее состав слабоспекающихся углей низкой стадии метаморфизма. Работами ВУХИНа (в опытно-промышленных условиях) было установлено, что при глубокой сушке шихты (373—383 К) период коксования сокращается на 2—2,5 ч и производительность коксовых печей увеличивается на 36—40 %, а при нагреве шихты до 473 К соответственно 3—3,5 ч и 50 %. Из приведенных данных следует, что термическая подготовка предпочтительнее глубокой сушки шихты.
Несмотря на начало исследовательских работ по термической подготовке шихты в нашей стране еще в 50-е годы и высокую эффективность метода, практическое освоение этого процесса и широкое внедрение его в промышленность очень затянулось.
Собственно нагрев угольной шихты в процессе ее термической подготовки в настоящее время затруднений не вызывает. Имеются достаточно освоенные технические решения для нагрева шихты газообразным теплоносителем. К ним можно отнести нагрев в реакторах с псевдоожиженным («кипящим») слоем угля, в трубах-сушилках (пнев-мотрубах} с последующим отделением угля в аппаратах центробежного или гравитационного типа. Исследуется эффективность двухступенчатого нагрева шихты — вначале медленный нагрев до 373—383 К в реакторе с псевдоожиженным слоем, а затем быстрый нагрев сухого угля в пневмотрубе до 423—473 К.
Ввиду относительно невысоких температур предварительного нагрева шихты выделение продуктов ее пиролиза минимально и очистка выбрасываемого в атмосферу избыточного газообразного теплоносителя требуется в основном от пыли и может быть осуществлена также с помощью освоенных технических решений. Однако осуществление этой технологии в промышленных условиях вызывает серьезные трудности при хранении, транспортировании и загрузке предварительно нагретой шихты в коксовые печи. Было установлено, что хранить термически подготовленную шихту можно только 0,5—2 ч (в зависимости от марочного состава и температуры нагрева). Тепловое выдерживание нагретой шихты более 2 ч (в среде инертного газа) приводит к снижению качества получаемого из нее кокса.
Транспортирование и загрузка в коксовые печи термически подготовленной шихты являются сложной технической задачей. Здесь необходимо обеспечивать доставку ее к печам, а также бездымную и беспыльную загрузку, решать проблемы, связанные со значительным уносом угольной пыли газами во время загрузки в газосборники, защитой окружающей среды.
В нашей стране работы по загрузке сухой и термически подготовленной шихты ведутся в двух направлениях: загрузка с помощью углезагрузочного вагона, трубопроводная загрузка. При вагонной загрузке нагретой шихты значительное пыление ее вызывает необходимость разрабатывать и изготовлять специальные герметизированные углезагрузочные вагоны, вносить изменения в их конструкцию. Последние образцы вагонов оснащаются автономными устройствами для отсоса и очистки газов загрузки. Свойственная сухой шихте подвижность и аэрируемость позволяют загружать ее в коксовую печь без планирования через два или один загрузочный люк. Загрузочные вагоны для термически подготовленной шихты испы-тывались на Харьковском опытном коксохимическом заводе и Западно-Сибирском металлургическом комбинате.
Сущность трубопроводной загрузки термически подготовленной шихты состоит в транспортировании ее перегретым паром по трубам.Такой способ загрузки исследуется на Донецком коксохимическом заводе.
В США, ФРГ, Японии и других странах применяют три способа загрузки нагретой шихты: Коултек — трубопроводная загрузка; Прекарбон — загрузка специальным цепным конвейером; Батнер, а также Симкар — загрузка герметизированным загрузочным вагоном.
Наибольшее распространение в США получил способ трубопроводной загрузки (Коултэк), разработка которого велась фирмой «Эллайд Кэмикэл корпорейшен» в течение 17 лет. Однако, как показала эксплуатация этой системы, ей присущи серьезные недостатки (низкая насыпная плотность шихты, зафусовывание стояков и клапанных коробок газосборников, забуривание кокса при выдаче его из печей, увеличение численности обслуживающего персонала и др.).
Все указанные способы загрузки нагретой шихты, применяемые в зарубежной практике, требуют дальнейшего совершенствования и повышения надежности в эксплуатации, вследствие чего промышленное распространение предварительного нагрева шихты осуществляется медленно.
Сравнительные испытания в промышленных условиях наших коксохимических заводов вагонной и трубопроводной загрузки печей нагретой шихтой позволят рекомендовать один из этих способов для широкого внедрения.