J. L. Sundholm, H. S. Valia, F. J. Kiessling... Производство металлургического кокса и восстановление продуктов коксования

Углерод как восстановитель

Несмотря на то, что оксиды железа можно восстановить с получением металлического железа многими агентами, углерод (непосредственно или косвенно) считается восстанавливающим реагентом, который лучше всего удовлетворяет условиям экономичного производства железа. Углерод подходящей реактивности и физических параметров некогда производился из древесины пиролизом с получением лесного древесного угля; но для действия современных больших печей углерод, требуемый для плавления железа, получается термической деструкцией отборных коксующихся углей при температурах от 900°C к 1095°C (1650°F до 2000°F).

Химический эффект коксования

Уголь состоит, главным образом, из остатков растительного вещества, которое было частично разложено из-за наличия влаги и отсутствия воздуха, и подвержено изменениям температуры и геологического давления. Это - сложная смесь органических соединений, главные элементы которых углерод и водород со значительно уступающими им по количеству кислородом, азотом и серой. Уголь также содержит несколько негорючих компонентов, которые превращаются в золу. Зола состоит, прежде всего, из неорганических смесей, которые "встроились" в коксующую массу в процессе коксования.

Химические смеси, составляющие угли, подобно большинству из них в животном и растительном мире, нестойки под воздействием высоких температур. При максимальном нагреве без доступа воздуха сложная органическая структура молекул разрушается, при этом образуются газы, жидкие масла и простые органические компоненты меньшей молекулярной массы, а также относительно неизменный углеродный остаток (кокс).

Кокс, таким образом, остаток термической деструкции угля. Структурно он представляет собой клеточную пористую субстанцию, которая разнородна как в физических, так и в химических свойствах. Физические свойства металлургического кокса, также как и его состав, зависят в значительной степени от использованного угля и температуры коксования. Не все угли формируют кокс, и не все коксующиеся угли позволят получить кокс с характеристиками, подходящими для металлургических целей.

Одни угли могут производить приемлемый кокс без добавки присадок других углей, в то время как другие - годны к употреблению только как компоненты в усредненной смеси. Тип и метод воздействия средств коксования также оказывают глубокое влияние на качество и выход кокса.

Виды кокса

Есть три главных вида кокса, классифицированного согласно методам, которыми они производятся: низко-, средне- и высокотемпературный кокс. Кокс, используемый для металлургических целей, должен быть нагрет до высших температур (между 900°C и 1095°C) (1650°F и 2000°F), чтобы продукт имел удовлетворительные физические свойства. Даже из хорошо коксующегося угля продукт, полученный низкотемпературной обработкой между 480°C и 760°C (900°F и 1400°F), неприемлем для хорошего действия доменной печи.

Важные свойства металлургического кокса

Вероятно самое главное физическое свойство металлургического кокса - его прочность, достаточная, чтобы выдержать дробление и истирание в течение всей обработки и использования в печи. В Соединенных Штатах стандартные тесты Американского Общества по Испытанию материалов, используемые для оценки этих свойств, - определение индекса стабильности при дроблении и индекс твердости при истирании. Оба испытания заключаются в загрузке кокса определенного размера в стандартный барабан, вращающийся в течение определенного времени в определенном режиме. Индекс стабильности и индекс твердости - проценты остатка кокса на сите с отверстиями 1 дюйм и 1/4 дюйма соответственно после вращения в барабане.

В современной доменной практике наблюдается тенденция в сторону использования мелкодробленных железосодержащих материалов контролируемого размера как, например, агломерат или таблетки, поэтому размер кокса, используемого в шихте, более важен, чем раньше, когда использовалась только неподготовленная руда. Размер кокса, производимого в коксовых печах, зависит от вида угля, температурного режима, ширины камер и массовой плотности коксующейся загрузки; большие количества малогазовых углей, более широкие печи и большая массовая плотность коксующейся загрузки имеют тенденцию к образованию более крупного кокса, в то время как ускорение температурного режима приводит к образованию более мелкого кокса. Поскольку предпочтителен общепринятый размер, дробя и просеивая кокс, добиваются того, чтобы контролируемый параметр имел желаемое значение. Большинство операторов доменного производства предпочитают кокс размером между 18.5 и 76 мм (3/4 дюйма и 3 дюйма) как оптимальный для работы печи. Другие физические свойства кокса как, например, пористость, плотность и горючесть, контролируются только в небольшом промежутке, а их важность в действии на функционирование доменной печи не была установлена однозначно.

Методы производства металлургического кокса

Есть два испытанных процесса производства металлургического кокса, известных как ульевый метод и метод с получением побочных продуктов. При ульевом способе воздух подается в коксовую камеру в контролируемых количествах с целью сжигания там газовых продуктов деструкции угля и генерирования тепла для дальнейшего нагревания. В методе побочного продукта камеры коксования защищены от попадания внутрь воздуха, а необходимое для процесса тепло получается от сгорания извне части из газа, выделяющегося при коксовании (или, в некоторых случаях, чистого доменного газа либо смеси коксового газа и доменного). В современных коксовых печах, организованных соответствующим образом, все продукты, выделяющиеся в процессе коксования, восстанавливаются как газ и химические реагенты, и, если в качестве топлива используется только коксовый газ, около 40% из получаемого газа возвращается на обогрев коксовых камер. В то время, как ульевой способ был лидирующим методом производства кокса вплоть до 1918, в настоящий момент процесс побочного продукта в значительной степени заменил его. Существует разница температур коксования в этих двух процессах - в методе побочного продукта температура ниже, чем в ульевом методе. Кокс при ульевом способе обычно больше, однако, разнороден по размеру. Вообще, должным образом дожженный ульевой кокс и кокс при способе побочного продукта имеют серебристый цвет. Модификация технологии улья, известная как печи без улавливания химпродуктов, приобретает актуальность.

Другие способы получения металлургического кокса известны как непрерывные процессы; было предложено много изменений, но ни одно из них не было осуществлено в коммерческих масштабах. В одном из таких методов размельченный кокс или некоксующийся уголь сушится, частично окисляется паром или воздухом и подается в печь. Получение кокса происходит на второй стадии при более высоких температурах. Используя связующее на основе смолы, выделяющейся при коксовании, уголь брекетируется. “Зеленые” брикеты выдерживаются в низких температурах, коксуются при высоких температурах, и окончательно охлаждаются в инертной атмосфере, чтобы получался металлургический кокс постоянного состава. Этот вид кокса часто определяют как формованный. Брикетирование будет обсуждаться позже снова в этой главе.

Продукты коксования

Реакции, протекающие в процессе производства металлургического кокса, сложны. Процесс можно рассматривать как трехстадийный: (а) первоначальная деструкция угля при температурах разложения ниже 700°C (1296°F) с выделением воды, оксидов углерода, скроводорода, гидроароматических смесей, парафинов, олефина, фенолов, и азотсодержащих смесей; (b) вторичные термические реакции внутри выделившихся на первой стадии веществ, так как они проходят через горячий кокс, вдоль горячих стен духовок и чрезвычайно горячее подсводовое пространство коксовой камеры, и включают как синтез, так и деструкцию. Большое выделение водорода и образование ароматических углеводородов и метана происходят в промежутке выше 700°C (1296°F). Разложение сложных содержащих азот аммиачных смесей, водородного цианида, оснований пиридина и азота; (с) усиленное выделение водорода из твердого остатка, получаемого в коксовой печи.

В процессе коксования около 20-30% начальной массы угольной загрузки удаляется из камеры коксования в виде газо-паровой смеси через газопровод и поступает на отделение улавливания для выделения химических продуктов. Для каждого отдельного угля экпериментально определяется соотношение выделяющихся продуктов и твердого коксового остатка; оно зависит от типа угля, температуры и способа коксования.

Коксовый газ содержит фиксированные газы, классифицированные так, потому что это - газы под давлением 760 мм (29.92 дюймов) и 15.5°C (60°F). Ими являются: водород, H ; метан, CH ; этан, C H ; углерод-2-4-2-6-моноксид, СО; углекислота, СО2 ; горючие ненасыщенные углеводороды, как например этилен, C2H4 ; и ацетилен, CH3 . Другими фиксированными присутствующими газами являются: сероводород, H2S; аммиак, NH ; кислород и азот, N.

Другие вещества в сырых газах и парах, выходящих из камер коксования, которые являются жидкостями при обычных температурах и давлении, обсуждаются ниже.

Аммиак

Прежде всего, это вода, сконденсированная из прямого коксового газа, которая является водным электролитом солей аммония в двух состояниях - свободном и связанном. Свободные соли - те, которые разлагаются при кипении с выделением аммиака. Связанные соли - те, которые требуют кипячения в щелочи (например, известь), чтобы освободить аммиак.

Смола

Смола - органическое вещество, которое отделяется конденсацией из газа в магистралях газосборника. Это - сажа, клейкая жидкость, немного тяжелее воды. Из смолы можно выделить следующие вещества и фракции: пиридин, кислоты смол, нафталин, масла креозота и фусы.

Легкие масла

Легкие масла - чистая, желто-коричневая жидкость, несколько легче воды. Она содержит преременные количества продуктов горючего газа с точками кипения от от 40°C к 200°C, а бензол, толуол, ксилол и растворенная нефть отделяются от главной продукции.

Восстановление продуктов коксования

Первый шаг при восстановлени продуктов коксования - восстановление основных сырьевых материалов (прямой коксовый газ, раствор аммиака, смола и легкие масла) как первая операция в соответствии с коммерческой практикой. Вторичные действия состоят из обработки этой первоначальной продукции для разделения ее на компоненты.

<< На каталог

В начало ^^