Авторы: Гранкина В.О., Берестовая А.А.
Источник: Всероссийской научно-практической конференции студентов и молодых ученых "Химия: достижения и перспективы". Южный федиральный университет г. Ростов-на-Дону.
Гранкина В.О., Берестовая А.А. Исследования возможности получения пека, обладающего требуемым качеством в условиях МАКЕЕВКОКС. В докладе рассмотрена экологическая проблема и анализ МАКЕЕВКОКС.
Коксование – процесс термической переработки твердых горючих ископаемых характеризующийся высокой конечной температурой процесса до 1100 °С, разложение происходит без доступа воздуха с образованием летучих веществ и твердого остатка - кокса.
Коксование – это сложный двухфазный эндотермический процесс, в котором протекают термофизические и термохимические процессы превращения коксуемого сырья, и химические реакции с участием компонентов его органической части.
Коксование характеризуется разновременностью процессов, происходящих в отдельных слоях (слоевое коксование). Вследствие этого в коксуемом массиве длительно находятся одновременно слои кокса, полукокса, пластической массы, сухой и влажный уголь. Кокс формуется в виде монолита (коксового "пирога"), который затем растрескивается на куски разной величины.
Технология коксования предусматривает переработку только определенной группы каменных углей (коксовых, жирных, отощенных, спекающихся), способных при нагревании переходить в пластическое состояние [1].
Коксование проводят в коксовых печах, являющихся реакторами периодического действия с косвенным нагревом, в которых теплота передается к коксуемой угольной шихте через стенку реактора.
По условиям службы в доменной печи кокс должен иметь постоянное содержание влаги, малое количество минеральных примесей и серы, высокую механическую прочность в исходном состоянии и при нагреве до 1500-1600°С, ограниченную долю мелких и чрезмерно крупных частиц. С учетом этих требований кокс оценивают по содержанию влаги, химическому составу сухой и горючей массы, механическим и физико-механическим характеристикам.
О химическом составе сухой массы кокса судят по техническому анализу, включающему определение летучих веществ (Vd, %), золы (Ad, %) и серы (Sd, %).
Влажность характеризует степень готовности кокса. Его вычисляют по убыли массы навески после прокаливания при температуре 850°С без доступа воздуха. Оптимальная величина летучих составляет 0,8 – 1,2%.
Каменноугольный пек – наиболее массовый продукт переработки каменноугольной смолы, образующейся при производстве кокса для металлургической промышленности.
Наиболее активными потребителями электродных пеков являются цветная металлургия (производство алюминия) и собственно производство электродов различного назначения (в том числе для выплавки стали в электродуговых печах) [2].
Пек, применяющийся в качестве электродного связующего материала, должен обладать оптимальными вяжущими и смачивающими свойствами, хорошо спекаться с наполнителями, образуя прочный коксовый скелет и обеспечивая высокий выход коксового остатка.
В смолоперегонном цехе предприятия МАКЕЕВКОКС функционирует наиболее распространенная в странах постсоветского пространства технология производства электродного связующего путем термоокисления среднетемпературного пека (СТП), получаемого на стадии однократного испарения каменноугольной смолы в отделении дистилляции. Суть метода заключается в термической обработке СТП при 340–370°С в кубах-реакторах непрерывного действия при непрерывном барботаже воздуха через обрабатываемый расплав.
Достоинствами этой технологии, ставшими причиной ее широкого распространения, являются простота аппаратурного оформления и управление процессом окисления.
Однако в настоящее время характерно преобладание смол низкой степени пиролизованности. Эта проблема в полной мере затронула и пековое производство на МАКЕЕВКОКС: на протяжении ряда лет наблюдается устойчивая тенденция к снижению степени пиролизованности сырья, поступающего на переработку в СПЦ [3].
В целях сохранения должного уровня показателей качества электродного пека в условиях снижения степени пиролизованности сырья как один из способов рассматривалось приобретение высокопиролизованной смолы со стороны для компаундирования с наличной низкопиролизованной.
Мы предлагаем метод термической обработки смолы при высоких температурах и избыточном давлении.
Преимущества данного процесса заключаются в том, что при изменении давления происходит изменение как термодинамического равновесия основных реакций, протекающих при термообработке смолы (что приводит к снижению содержания непредельных соединений во фракциях), так и к изменению фазового равновесия системы, что влечет за собой перевод группы высококипящих соединений, сосредоточенных в антраценовых фракциях, из паровой фазы в жидкую.
Также, одним из перспективных направлений в улучшении качества пека является увеличение времени пребывания пека в аппаратуре. Реализуется этот метод путем использования каскада реакторов.
Для улучшения качества электродного пека предусмотрена работа реакторов каскадом (последовательно) по следующей схеме: cреднетемпературный пек из пековых колонн самотеком по пекопроводу, смонтированному с необходимым уклоном, поступает в верхнюю часть первого по ходу пека реактора на зеркало испарения, далее за с чет поступающего из пековой колонны среднетемпературного пека происходит вытеснение пека из нижней части реактора, который перетоком поступает в следующий по ходу реактор [4].
Термополимеризация антраценовой фракции перед подачей в смолу существенно влияет на увеличение в пеке доли веществ, нерастворимых в хинолине.
Концентрация в пеке веществ, нерастворимых в хинолине, значимо коррелирует с подачей в пек термополимеризированной антраценовой фракции.
Вязкость пека, значимо коррелирует с количеством подаваемой в пек термополимеризированной антраценовой фракции.
Увеличение расхода термополимеризованной антраценовой фракции выше 0,8 м3/ч приводит к недопустимому повышению вязкости пека. Оптимальным расходом антраценовой фракции следует считать добавку до 10 % общего объема смолы, поступающей на переработку. При проведении эксперимента расход смолы варьировался в пределах 8,0-8,5 т/ч что, с учетом плотности термополимеризованной антраценовой фракции при температуре закачки 220-250 °С приближенно равной 1000 кг/м3, дает соотношение смола к/у: полимеризованная антраценовая фракция равное 9:1.
Таким образом, мы рассмотрели технологии получения пека, обладающего требуемым качеством в условиях МАКЕЕВКОКС, а именно получение электродного связующего путем термоокисления среднетемпературного пека.