Аннотация
Алексеев С. В. – Исследование термоподготовки каменноугольного пека в опытной установке
Рассмотрен процесс термоподготовки пека для получения электродного связующего. Предложена опытная установка для исследования процесса без подачи воздуха, что, как ожидается, приведет к снижению выхода летучих из продукта.
In the theses, the process of thermal preparation of pitch to obtain an electrode binder is considered. A pilot facility to study the process without air supply is proposed, which is expected to lead to decrease in the volatiles of the product.
Ключевые слова
КАМЕННОУГОЛЬНЫЙ ПЕК, ВЫХОД ЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ, ВЯЗКОСТЬ, ПЛОТНОСТЬ
Keywords
COAL PITCH, VOLATILE SUBSTANCES OUTPUT, VISCOSITY, DENSITY
Исследование термоподготовки каменноугольного пека в опытной установке
Каменноугольный пек занимает особое место среди продуктов переработки угля как по объему производства, так и по значению. Он находит множество применений, в частности, является преимущественным связующим для всех видов углеграфитовых материалов, электродной продукции, электродных и анодных масс, конструкционных углеграфитовых материалов, электроугольных изделий [1].
В настоящее время в нашем регионе имеются факторы, затрудняющие получение качественного электродного пека, среди которых стоит выделить следующие:
– смена технологических режимов коксования;
– непостоянство состава исходного сырья;
– устаревшие технологии дистилляции каменноугольной смолы;
– меняющаяся конъюнктура рынка.
Наиболее важными технологическими свойствами пека, являются плотность, поверхностное натяжение, вязкость, смачиваемость, термостабильность, спекаемость, способность давать коксовый остаток. Эти свойства зависят от качества исходного сырья и особенностей производства.
Качество пеков оценивается по таким показателям, как выход летучих веществ, зольность, температура размягчения и групповой состав.
Последний является характеристикой, дающей наибольшее количество информации о свойствах пека. Групповой состав определяется по растворимости пека в различных веществах, обладающих избирательной растворяющей способностью. Наиболее важными являются следующие фракции группового состава:
1. Вещества, нерастворимые в хинолине (α1–фракция), – наиболее высокомолекулярная углеродистая твердодисперсная составляющая, при переработке пека способствует образованию коксового остатка, однако ухудшает способность материала связывать зерна наполнителя, так как не обладает пластическими и адгезионными свойствами.
2. Вещества, нерастворимые в толуоле (α–фракция), в состав которых входят вещества, нерастворимые в хинолине (α1–фракция), и вещества, растворимые в хинолине, но нерастворимые в толуоле (α2–фракция). Эти вещества являются наиболее ценной составляющей группового состава, так как обладают вяжущими свойствами и обеспечивают высокий выход коксового остатка [2].
Ранее перечисленные особенности работы коксохимического производства региона требуют разработки оптимальных режимов переработки пека, без которых невозможно получение продукта, соответствующего стандартам.
В настоящее время, на отечественных заводах используется технология производства электродного связующего путем термоокисления среднетемпературного пека, который получается путем однократного испарения каменноугольной смолы в дистилляционных колоннах. Суть метода состоит в термической обработке среднетемпературного пека при 340–370 °С в кубах-реакторах непрерывного действия при непрерывном барботаже воздуха через реакционную массу. Кислород воздуха является фактором, интенсифицирующим реакции уплотнения (поликонденсации и полимеризации), которые приводят к необходимым изменениям физико-химических свойств пека.
Плотность каменноугольных пеков, полученных в аналогичных условиях, линейно растет с повышением температуры размягчения. С повышением температуры нагрева линейная зависимость, плотности от температуры размягчения пека, сохраняется.
Повышение температуры или увеличение длительности нагрева смолы приводит к накоплению в смоле и пеке высокомолекулярных продуктов. Однако, в настоящее время характерно преобладание в сырье, поступающем на переработку в смолоперегонный цех, смол низкой степени пиролизованности (с низкими значениями α и α1), что приводит к снижению степени пиролизованности сырья, поступающего на переработку в смолоперегонный цех.
При получении электродных пеков из малопиролизованной смолы незначительные массовые доли первичных фракций, нерастворимых в хинолине или в толуоле, приводят к дисбалансу таких показателей качества, как температура размягчения, выход летучих веществ, соотношение массовых долей фракций группового состава.
В таких условиях использование термоокислительной технологии зачастую делает несовместимым доведение группового состава электродного пека до требуемых значений с сохранением на должном уровне остальных качественных показателей (прежде всего – температуры размягчения). Особенно это сказывается при производстве наиболее ликвидных в настоящее время высокотемпературных марок пека для электродной продукции.
Существующая технология в изменившихся условиях не позволяет получить пек с заданными значениями выхода летучих (для марки А – 59–63 %, для марки Б – 58–62 %), при поднятии температуры нагрева количество летучих веществ увеличивается (в зависимости от марки пека), что негативно сказывается на конечном продукте. Есть основания считать, что возможными способами поддержания выхода летучих веществ на требуемом уровне необходимо:
– увеличение времени пребывания пека в реакторах;
– исключение подачи воздуха в реакционную массу.
Однако эти предположения нуждаются в экспериментальной проверке.
Следует отметить, что помимо функции участника реакций термоокисления барботирующий сквозь пек воздух обеспечивает перемешивание нагреваемой массы. Прекращение подачи воздуха неизбежно приведет к нарушению температурного режима в реакторе.
Наиболее простой способ обеспечить равномерность прогрева реакционной массы, и тем самым избежать локальных перегревов вещества – использование механических мешалок.
Термоподготовка пека без использования окислителя требует сначала исследования того, возможно ли в принципе получение показателей, установленных стандартами (не только летучих веществ), а в случае успеха – отработки необходимых параметров технологического режима. В производственных условиях это сделать затруднительно, поэтому создана лабораторная установка.
Опытный лабораторный реактор (рис. 1) представляет собой цилиндрическую емкость из нержавеющей стали на ножках. Также он имеет специальные места подключения измерительных приборов (датчиков температуры) и отбора проб. Реактор снабжен мешалкой, приводимой в движение электродвигателем.
Рисунок 1 – Опытный лабораторный реактор
Для проведения исследований выбран интервал температур 340–370 °С так как именно такой интервал поддерживается в производственных реакторах. Достижение и поддержание данной температуры проводится с помощью наружного теплообогревателя.
Нагретый до указанной температуры пек непрерывно перемешивается с помощью мешалки, через равные промежутки времени производится отбор проб, для определения выхода летучих веществ и содержания α – фракции.
Также замеряется потребляемая электрическая мощность, которая зависит от вязкости пека. Это позволяет косвенно оценивать изменение группового состава.
Список использованной литературы
1. Кауфман, А.А. Технология коксохимического производства / А.А. Кауфман, Г.Д. Харлампович. – Е: ВУХИН, 2005. – 288 с.
2. Губанов, С.А. Технологические особенности производства каменноугольного пека из низкопиролизированных каменноугольных смол и варианты совершенствования процесса / С.А. Губанов, А.А. Букка, Е.Ю. Иващенко. // науч. тех. журн. Кокс и химия – 2017. – № 11 – 64 с.