СПОСОБ ПОДГОТОВКИ К СЛОЕВОМУ КОКСОВАНИЮ ШИХТЫ, СОДЕРЖАЩЕЙ ПРОДУКТЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ БУРЫХ УГЛЕЙ Российский патент 2009 года по МПК C10B57/06 

Изобретение относится к способам подготовки угольных шихт для слоевого коксования с целью получения металлургического кокса и сопутствующих химических продуктов коксования (коксового газа, сырого бензола, смолы).

Развитие коксохимической промышленности на современном этапе во многом зависит от расширения ее сырьевой базы. В связи с возрастающим дефицитом коксовых и жирных углей встает вопрос о необходимости их экономного расходования и поиске путей замены последних в шихтах коксования.

В связи с распадом СССР два из четырех крупнейших, хорошо освоенных угольных бассейнов - основных поставщиков углей на коксование (Кузбасс, Донбасс, Карагандинский и Печорский) - оказались за рубежом. Однако ряд российских коксохимических заводов и в настоящее время, наряду с углями Кузбасса и Печорского бассейна, используют в шихтах слоевого коксования угли Украины и Казахстана (донецкие и карагандинские). Поэтому проблема расширения сырьевой базы углей для коксования с одновременным повышением выхода целевого кокса и улучшением его механических свойств путем частичной замены дефицитных коксовых углей в шихтах для коксования на недефицитные слабоспекающиеся угли с восполнением дефицита нелетучих жидких соединений в шихте добавкой термообработанной тяжелой смолы высокоскоростного пиролиза бурых углей несомненно актуальна технически значима и важна для коксохимической промышленности. Для высокоскоростного пиролиза с целью получения максимального количества смолы с последующей ее термообработкой и добавкой в шихты коксования предлагается использовать малозольные низкосернистые бурые угли Канско-Ачинского бассейна (КАУ) или бурые угли Монголии Багануурский (БН) и Тугругнуурский (ТН). Возможно использование бурых углей и других месторождений по техническим показателям (влажность, зольность, сернистость), близких к аналогичным показателям Канско-Ачинских или Монгольских бурых углей.

Наиболее близким к заявляемому является способ подготовки к коксованию шихты, включающий в качестве отощающей добавки мелкозернистый буроугольный полукокс (БПК) скоростного пиролиза, путем измельчения компонентов шихты, смешения углей и БПК, сушки шихты до остаточной влажности 2,5-4% с последующим коксованием (а.с. СССР. №1214718, БИ. опубл. 28.02.1986. / В.М.Динельт, М.Б.Школлер, И.В.Тимофива, Е.Б.Ушаков) (прототип).

Использовать отощающие шихту добавки в больших количествах нельзя из-за дефицита в коксуемой шихте собственных жидкоподвижных продуктов термолиза углей шихты. Отметим, что Донецкие угли характеризуются следующим выходом подвижной пластической массы, % на горючую массу угля: газовые (Г) 5-25; жирные (Ж) 35-70; коксовые (К) 20-35; отощенные спекающиеся (ОС) 1-20.

Традиционно шихту слоевого коксования составляют из нескольких компонентов (групп, шахтогрупп), и многие ее свойства не являются аддитивной величиной (выход жидкоподвижных продуктов в центробежном поле, кажущаяся вязкость, газопроницаемость, вспучиваемость и др.).

Угольные шихты коксохимических предприятий в пластическом состоянии характеризуются в основном следующими показателями: индекс вспучивания (ИГИ-ДМетИ) 12-39 мм; толщина пластического слоя 14-20 мм; индекс Рога (RI) 50-65.

Отметим, что газовые угли в шихтах снижают давление распирания и облегчают выдачу кокса, но они дают мелкий кокс с невысокой механической прочностью. Жирные и газовые угли в шихте обеспечивают нормальную структуру, высокую прочность и однородную кусковатость кокса. Отощенные угли способствуют повышению крупности кокса. По прототипу добавка 5 мас.% буроугольного полукокса (БПК) к компонентам шихты дает положительный эффект: а) увеличивается механическая прочность кокса на 2,2 мас.%; б) снижается истираемость кокса на 1,4 мас.%.

Однако известный способ обладает существенным недостатком, так как присутствие в шихте БПК (отощающая добавка) приводит к снижению в процессе коксование выхода нелетучих жидких соединений (НЖС), ответственных за переход коксуемой массы в пластическое состояние и ее формирование. В прототипе давление распирания будет выше по сравнению с коксованием без отощающих добавок. Количество НЖС в шихте должна быть оптимальным, так как НЖС активно взаимодействует с частицами формирующегося полукокса, адсорбируясь в его порах и трещинах. В оптимальных условиях зона основного пластического состояния характеризуются минимальной вязкостью и максимальной парогазонасыщенность. При введении в шихту отощающих добавок (БПК или отощенноспекающегося угля марки ОС) без восполнения недостатка НЖС добавкой жидких продуктов подобных НЖС (например, тяжелых смол пиролиза бурых углей) пластическая масса будет характеризоваться повышенной вязкостью и еще большей парогазонасыщенностью, что приводит к повышению в камере коксования давления распирания, что чревато аварийной ситуацией или преждевременным выходом из строя огнеупорной кладки коксовой печи. Указанное явление отрицательно сказывается на режиме работы коксовых печей и приводит к их преждевременному износу.

Задачей предлагаемого технического решения является расширение сырьевой базы коксования и повышение выхода целевого кокса с улучшенными физико-механическими характеристиками.

Поставленная задача достигается тем, что в способе подготовки к слоевому коксованию шихты, содержащей продукты термической переработки бурых углей, путем измельчения компонентов, в том числе отощающей добавки, их смешения и сушки теплоносителем, в исходную шихту, содержащую смесь газовых, газовых жирных, жирных, коксовых и отощенноспекающихся углей, дополнительно вводят модифицирующую добавку в виде предварительно термообработанной буроугольной смолы скоростного пиролиза бурых углей, а в качестве отощающей добавки вводят отощенноспекающийся уголь или его смесь с "жирной добавкой" в виде второго коксового угля при содержании отощенноспекающихся углей в шихте в количестве 4,32-14,32 мас.%, а угля второго коксового в количестве 6,09-13,09 мас.%.

Поставленная задача достигается также тем, что в исходную шихту вводят 3-10 мас.% отощающей добавки в виде угля марки ОС6, 3-7 мас.% "жирной" добавки в виде второго коксового угля марки К₂ и 3-6 мас.% модифицирующей добавки. Кроме того, поставленная задача достигается тем, что для получения термообработанной буроугольной смолы скоростного пиролиза используют малозольные, низкосернистые Канско-Ачинские бурые угли или бурые угли Монголии различных месторождений или аналогичные по качеству бурые угли других регионов.

Техническим эффектом заявляемого способа является получение целевого продукта с улучшенными физико-химическими свойствами (повышенная прочность и пониженная истираемость) и с высоким выходом, а также расширение сырьевой базы коксования.

Предлагаемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.

Примеры осуществления способа.

Пример 1. Коксуют шихту Запорожского коксохимического завода (ЗКХЗ) в опытной печи, выполненной из огнеупорного материала, представляющей собой герметичную камеру шириной 400 мм, высотой 413 мм и длиной 365 мм с боковым электрообогревом и стояком для отвода летучих продуктов коксования. Разовая загрузка шихты составляет 30 кг.

Марочный состав шихты (мас.%): газовый уголь (Г) 36,2; газовый жирный (ГЖ) 13,2; жирный уголь (Ж) 24,1; (суммарное содержание коксового (К) и второго коксового (К₂) 21,7; содержание угля марки К₂ в шихте 7%; отощенноспекающийся уголь (ОС) 4,8; уголь марки K₂ Донбасса характеризуется параметром y=18,6; содержанием серы 2,6 мас.%; уголь К₂ Кузбасса содержит 0,5% серы и характеризуется параметром y=8,7 мм. Технический анализ шихты: зольность на сухую массу 7,4 мас.%; выход летучих на горючую массу 33 мас.%; общее содержание серы на сухую шихту 1,83 мас.%;

Пластометрические показатели шихты: усадка (х) 41 мм; толщина пластического слоя (y) 17,5;

Указанную шихту загружают в опытную печь при температуре внутри печи 1000°С, температуру боковых стенок поддерживают в течение 10 часов в пределах 1250-1300°С. По достижении в осевой плоскости коксового пирота температуры 950°С, кокс выдерживают при этой температуре еще 2 часа, после чего выгружают в камеру сухого тушения, где кокс тушат 4-5 часов без доступа воздуха. Выход кокса определяют на лабораторных весах с точностью ±0,01 кг. Кокс последовательно просеивают через сита с отверстиями 80, 40, 25 и 10 мм. Затем надрешеточные продукты взвешивают и определяют выход (мас.%) фракций (мм) >80; 80-40; 40-25; 25-10 и менее 10.

Испытания кокса на истираемость проводили в малом барабане (12,5 кг загрузки) в соответствии с ГОСТ 8929-65.

Вязкость пластической массы косвенно оценивали по усилию прокола при коксовании опытных шихт в автоматизированном пластометрическом аппарате (ГОСТ 1186-69). Опыты проведены в центральной заводской лаборатории Запорожского коксохимического завода, на кафедре технологии углехимических производств Санкт-Петербургского государственного технологического института и в Новокузнецком центре Восточного углехимических института.

Составы шихт по заявляемому способу, а также результат испытаний пластометрических параметров шихт и физико-химических показателей полученных коксов приведены в табл.1-3.

Остальные примеры, приведенные в табл.1, осуществляются аналогично примеру 1. Для получения модифицирующих добавок использовали бурые угли из месторождений России и Монголии. Возможно использование бурых углей из бассейнов других стран по качеству близких к углям Канско-Ачинского (Россия) бассейна или Багануурского и Тугругнуурского месторождений Монголии (МНР).

В заявляемом способе для коксования использовались базовые шихты Запоржского коксохимического завода с добавкой отощенноспекающегося угля (ОС6), второго коксового (К₂) и термообработанной тяжелой смолы скоростного пиролиза бурых углей со следующими характеристиками:

1) уголь ОС6 с зольностью 6,5 мас.%, с выходом летучих на горючую массу 17,1 мас.% и влажностью 2,8 мас.%.

2) уголь К₂ с зольностью 6,8 мас.%, с выходом летучих на горючую массу 21,4 мас.%, с рабочей влажностью 2,7 мас.%.

3) Термообработанные (с удалением 5,1 мас.% жидких и парогазообразных продуктов из исходных суммарных смол скоростного пиролиза) тяжелые смолы скоростного пиролиза бурых углей имели начало кипения 270-272°С и характеризовались следующими показателями:

а) Термообработанная смола скоростного пиролиза из Канско-Ачинского бурого угля Березовского месторождения (ТСВП КАУ) - плотность 1250 кг/м³; температура размягчения 35,3°С; зольность 1,97%, коксуемость по Конрадсону 32%; элементный состав (мас.% на горючую массу): С 81,3; Н 5,9; N 0,8; S 0,31; O 11,7.

Характеристики термообработанных смол скоростного пиролиза бурых углей Монголии: а) Термообработанная смола скоростного пиролиза из Багануурских углей (ТСВП БН): плотность при 20°С 1236 кг/м³; температура размягчения 34,9°С;

б) Термообработанная смола скоростного пиролиза из Тугругнуурских углей (ТСВП ТН): плотность при 20°С 1232 кг/м³; температура размягчения 34,6°С;

в) В табл.1 кроме пластометрических показателей (x и y) базовой и предлагаемых шихт приведены величины усилий (относительные единицы) прокала пластической массы при измерении толщины пластического слоя при их испытании в автоматизированном пластометре.

При коксовании шихт №2, 4-6 (табл.1) усилие прокола пластической массы выше, чем у типовых шихт, используемых при промышленных коксованиях на Запорожском коксохимическом заводе (ЗКХЗ), однако оно ниже, чем у прототипа. Следовательно, при коксовании всех заявляемых шихт (табл.1) давление распирания в камере коксования будет ниже, чем у прототипа, что благоприятно скажется на сроках службы коксовых печей. Максимально комфортные условия коксования (по критерию безопасной эксплуатации коксовых печей) обеспечиваются на шихтах №2, 7-11 (минимальное усилие прокола слоя пластической массы коксуемой шихты).

Соотношение цен на используемые в шихтах марки углей (по данным ЗКХЗ) следующее: угли Донбасса Г:Ж:К:ОС-1:1,26:1,36:1,21; уголь ГЖ Львовско-Волынского бассейна - 1,15, относительные цены на угли Кузбасса (марок Г и К₂) 0,48; 0,58 соответственно. Наиболее дешевыми компонентами предлагаемых шихт являются буроугольный полукокс (БПК) и термообработанная смола высокоскоростного пиролиза (ТСВП) с опытно-промышленной установки Тверской ТЭЦ (0,36) при базисе, равном единице (стоимость газового угля Донецкого бассейна). Это связано с низкой ценой на бурые угли Канско-Ачинского бассейна, где добыча проводится открытым способом на мощных угольных разрезах. Более высокая стоимость углей Донбасса связана с невысокой рабочей мощностью промышленных сложных пластов и с большей глубиной залегания угля по сравнению с Кузбассом.

Таким образом видно, что в шихтах целесообразно максимально использовать относительно дешевые угли и добавки: Г, К₂, ОС6, ТСВП. Использование же в шихтах коксования буроугольного полукокса также целесообразно, экономически оправданно, и этот вариант предложен в выбранном нами прототипе.

Однако увеличивать в шихтах коксования по сравнению с оптимальным содержание газовых углей нецелесообразно, так как это приведет к снижению выхода валового кокса и ухудшению его качества (механической прочности).

Поэтому модернизировать составы исходных шихт коксования целесообразно за счет использования индивидуальных добавок БПК, углей К₂, ОС6, ТСВП или различного их сочетания.

Из табл.2 видно, что товарный кокс из заявляемых шихт по сравнению с промышленным коксованием шихты ЗКХЗ характеризуется увеличением механической прочности (по выходу классу М25) до 2,7% и снижением истираемости (по выходу класса М10) до 2,9%. Товарный кокс характеризуется по этим показателям также и более высокими показателями по сравнению с прототипом.

Наиболее благоприятные условия коксования (по давлению распирания) наблюдаются при использовании заявляемых шихт №7-11. В этих условиях достигаются более высокие показатели по выходу классов кокса +80, 80-40, 40, 25 (табл.3). По сравнению с промышленным коксованием шихты ЗКХЗ истираемость кокса (класс минус 10) понижается на 2,5-2,9 мас.%

Кроме того, по заявляемому способу модифицированные шихты будут дешевле за счет вовлечения в их состав менее дорогих и менее дефицитных марок угля ОС6, К₂ и модифицирующих добавок (термообработанных смол скоростного пиролиза бурых углей).

Суммарный полезный эффект изобретения заключается в расширении сырьевой базы коксования, повышении выхода валового кокса и улучшении его физико-механических свойств (повышенная прочность и пониженная истираемость).

Таблица 1Толщина пластического слоя (y) и усадка (х) и усилие прокола (р) базовой и заявляемой шихт коксования№ п/пСостав шихты, мас.%x, ммy, ммР, относит. единицы1Базовая шихта ЗКХЗ33220,162Шихта + 10% ТСВП (КАУ)35260,103Шихта + 10% БПК (КАУ)28190,234Шихта + 10% БПК (БН) + 3% ТСВП (БН)30180,205Шихта + 10% угля ОС628190,236Шихта + 10% угля ОС6 + 3% ТСВП (КАУ)29200,177Шихта + 10% угля ОС6 + 6% ТСВП (ТН)32230,158Шихта + 10% угля ОС6 + 6% ТСВП (КАУ)32220,149Шихта + 10% угля ОС6 + 6% ТСВП (БН)32230,1410Шихта + 7% угля К2 + 3% угля ОС6 + 3% ТСВП (КАУ)31240,1311Шихта + 7% угля ОС6+3% угля К₂ + 6% ТСВП (БН)33220,16

Таблица 2Выход кокса и его прочность (%)**№ п/пСостав шихты, мас.%Механическая прочность, %Выход кокса, %М25М107Шихта ЗКХЗ + 10% угля ОС6 + 6% ТСВП (ТН)88,47,579,58Шихта ЗКХЗ + 10% угля ОС6 + 6% ТСВП (КАУ)88,47,479,49Шихта ЗКХЗ + 10% угля ОС6 + 6% ТСВП (БН)88,47,579,510Шихта ЗКХЗ + 7% угля К2 + 3% угля ОС6 + 3% ТСВП (КАУ)88,67,179,411Шихта ЗКХЗ + 7% угля ОС6+3% угля К2+6% ТСВП (БН)88,77,479,712Шихта ЗКХЗ + 5% БПК (КАУ)87,16,678,213Шихта ЗКХЗ + 10% БПК (КАУ)88,29,278,314Шихта ЗКХЗ861078** Влажность шихты 2,3-2,7%

Таблица 3Ситовый состав кокса из заявляемой и базовой шихт№ п/пСодержание добовак к базовой шихте ЗКХЗ, мас.%Выход кокса по классам крупности (мм), мас.%ОС6К₂ТСВП+8080-4040-2525-10-10710-6 (ТН)4,55029,49,67,5810-6 (КАУ)4,650,128,09,97,4910-6 (БН)4,55028,19,97,510373 (КАУ)4,851,528,38,47,111736 (БН)5,751,3289,67,4Базовая шихта ЗКХЗ0002,44928,210,410

Изобретение может быть использовано при получении металлургического кокса и сопутствующих химических продуктов коксования. В исходную шихту, содержащую смесь газовых, газовых жирных, жирных, коксовых и отощенноспекающихся углей, дополнительно вводят модифицирующую добавку в виде предварительно термообработанной буроугольной смолы скоростного пиролиза бурых углей. В качестве отощающей добавки вводят отощенноспекающийся уголь или его смесь с «жирной» добавкой в виде угля второго коксового при содержании отощенноспекающихся углей в шихте в количестве 4,32-14,32 мас.%, а угля второго коксового в количестве 6,09-13,09 мас.%. Изобретение позволяет расширить сырьевую базу коксования и повысить выход целевого кокса с улучшенными физико-механическими характеристиками. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ подготовки к слоевому коксованию шихты, содержащей продукты термической переработки бурых углей, путем измельчения компонентов, в том числе отощающей добавки, их смешения и сушки теплоносителем, отличающийся тем, что в исходную шихту, содержащую смесь газовых, газовых жирных, жирных, коксовых и отощенноспекающихся углей, дополнительно вводят модифицирующую добавку в виде предварительно термообработанной буроугольной смолы скоростного пиролиза бурых углей, в качестве отощающей добавки вводят отощенноспекающийся уголь или его смесь с «жирной» добавкой в виде угля второго коксового при содержании отощенноспекающихся углей в шихте в количестве 4,32-14,32 мас.%, а угля второго коксового в количестве 6,09-13,09 мас.%.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в исходную шихту вводят 3-10 мас.% отощающей добавки, 3-7 мас.% «жирной» добавки и 3-6 мас.% модифицирующей добавки.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для получения термообработанной буроугольной смолы скоростного пиролиза используют Канско-Ачинские бурые угли или бурые угли Монголии из различных месторождений.