СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА УГОЛЬНОЙ ШИХТЫ ДЛЯ КОКСОВАНИЯ Российский патент 2011 года по МПК C10B57/04 G01N33/22 

Изобретение относится к производству доменного кокса, а именно к подготовке угольной шихты к коксованию, и может быть использовано в коксохимической промышленности.

Известен способ определения оптимального состава угольной шихты для коксования, включающий расчет и определение ее оптимального состава относительно эталонной угольной шихты, с последующим коксованием. Достигается приближение результатов оптимизации состава угольной шихты к реальным условиям производства, повышение надежности и оперативности, прогнозируемость качества кокса. Все исследования проводят в промышленных условиях. В качестве эталона берут несколько угольных шихт с качественно различным составом. По данным пассивных либо активных экспериментов строят вход-выходную модель в динамике процесса коксования для каждого типа шихты, настраивают релейно-экспоненциальный прогнозатор с последующим нахождением коэффициентов прогнозатора. В режиме реального времени ведется контроль: количества углей, в силосах и угольных башнях коксовых цехов, свойств компонентов угольной шихты для коксования, параметров режима коксования, учитывается состав и качество шихты предыдущих суток, принятые к реализации вариант и качество компонентов шихты на предстоящий период работы коксовых батарей, производят отбор компонентов шихты на основании стабильности ее компонентного состава, далее прогнозируют качество кокса вариативным релейно-экспоненциальным прогнозатором с вариативной частью, проводят анализ кокса, находят отклонение прогнозного значения качественных показателей кокса от заданного и на вход-выходной математической модели процесса коксования в отклонениях с помощью регулярных или нерегулярных процедур поиска оптимизируют соотношения нестабильных компонент, добиваясь равенства прогнозного и заданного значений показателя качества кокса, и полученными соотношениями нестабильных компонент дополняют принятые ранее (закрепленные) соотношения стабильных компонент шихты, находя тем самым оптимальный состав шихты (патент RU №2307862, С10В 57/04, опубл. 10.10.2007).

Реализация данной системы в условиях производства в настоящее время ограничена следующими факторами: работа с многочисленным и нестабильным спектром поставщиков угольного сырья, отсутствие автоматизированной системы отбора и разделки проб для анализов, невозможность контроля всех факторов, влияющих на прочность получаемого кокса, трудность описания линейной зависимостью всех физических и химических процессов, происходящих при подготовке угольной шихты для коксования и в процессе коксования. В таких условиях невозможна реализация точной вход-выходной математической модели, оперативно реагирующей на колебания качества сырья и изменения обстановки, а значит, затруднена оптимизация шихты для коксования на основе данной модели.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения оптимального состава угольной шихты для коксования, состоящей из нескольких компонентов, включающий ее подготовку и коксование с различным содержанием спекающих, отощающих и коксовых компонентов. Оптимальный состав шихты определяют по трем следующим коэффициентам оптимальности: соотношения спекающихся и отощающих компонентов, содержания в шихте коксовых углей и содержания в шихте жирных углей (патент RU №2355780, С10В 57/04, опубл. 20.05.2009).

Однако опыт промышленных коксований на ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат» («ЗСМК») показывает, что выдерживание оптимального марочного состава шихты и высокого коэффициента оптимальности K_опт шихты не гарантирует получение высокопрочного кокса. Более того, при K_опт>80,0% возможно получение, как высокопрочного кокса с основными показателями качества кокса такими, как истираемость кокса и послереакционная прочность со значениями M10=7,6% и CSR=65,1% соответственно, так и кокса низкой прочности с показателями M10=9,4%, CSR=49,4%. Связано это с тем, что при расчете коэффициента оптимальности по способу, приведенному в патенте RU №2355780, предлагается классифицировать угли на коксующиеся, отощающие и спекающиеся только в соответствии с ГОСТ 25543-88. Исследования углей, проводимые в последние годы, показывают, что ГОСТ 25543-88 не позволяет качественно дифференцировать строй углей, применяемых для коксования. Угли в пределах одной марки (например, марки КО), считающиеся по ГОСТ 25543-88 коксующимися, могут иметь диаметрально противоположное влияние на прочность кокса. В соответствии с этим в ОАО «ЗСМК», работающем с многочисленными угольными предприятиями, поставляющими уголь со всех районов Кемеровской области, значительно отличающийся по качеству в пределах одной марки, невозможно применять для оптимизации угольной шихты для коксования коэффициент оптимальности в том виде, в котором он предложен в патенте RU №2355780.

Задачей изобретения является получение доменного кокса с высокими прочностными свойствами: истираемостью кокса М10≤7,7% и послереакционной прочностью CSR≥60,0% при сухом тушении кокса и работе на рабочих периодах коксования, а также прогнозирование прочности кокса.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения оптимального состава угольной шихты для коксования, состоящей из нескольких компонентов, включающем ее подготовку и коксование с различным содержанием коксовых и спекающихся компонентов и определение коэффициентов оптимальности, согласно изобретению в качестве коксовых компонентов используют коксующиеся угли 1 и 2 классов, а в качестве спекающихся компонентов применяют угли жирных марок, при этом коэффициент оптимальности шихты рассчитывают по формуле K_опт=K₁*K₂*K_сп*100; где K₁ - коэффициент отклонения от оптимального содержания коксующихся углей 1 класса; K₂ - коэффициент отклонения от оптимального содержания коксующихся углей 2 класса; K_сп - коэффициент отклонения от оптимального содержания спекающихся углей; причем расчет коэффициентов определяют по следующим формулам: K₁=(100-[ΔK₁])/100; где ΔK₁=γ₁-32 - отклонение от оптимального содержания коксующихся углей 1 класса, %; γ₁ - содержание в шихте коксующихся углей 1 класса, %; 32 - оптимальное содержание в шихте коксующихся углей 1 класса, %; K₂=(100-γ₂)/100; где γ₂ - содержание в шихте коксующихся углей 2 класса, %; а K_сп=(100-[ΔK_сп])/100)*(100-[ΔK_Y])/100, где ΔK_сп=γ_сп-30 - отклонение от оптимального содержания спекающихся углей, %; γ_сп - содержание в шихте углей жирных марок, %; 30 - оптимальное содержание в шихте углей жирных марок, %, причем ΔK_Y=Y-30 - отклонение от оптимальной толщины пластического слоя углей жирных марок, мм; где Y - толщина пластического слоя в шихте углей жирных марок, мм; 30 - оптимальная толщина пластического слоя в шихте углей жирных марок, мм.

Новый технический результат от использования заявляемого способа определения оптимального состава угольной шихты для коксования в условиях коксохимического производства заключается:

- в получении кокса с заданными прочностными свойствами при обеспечении значения коэффициента оптимальности шихты для коксования, близкого к 100%;

- в получении стабильного по прочности кокса при обеспечении стабильности коэффициента оптимальности промышленных шихт;

- в обеспечении функции прогнозирования прочности кокса на основе коэффициента оптимальности.

При расчете коэффициента оптимальности к коксующимся углям относятся только угли с определенными технологическими свойствами и классифицируемыми как коксующиеся угли 1 класса, а также учитывается отклонение от оптимального состава по содержанию в шихте слабококсующихся углей, углей 2 класса, которые отрицательно влияют на прочность кокса и содержание которых в шихте на коксование должно быть равно нулю, и учитывается отклонение от оптимальной толщины пластического слоя жирных углей (марки Ж), используемых в шихте. Такой подход позволяет более точно определить коксообразующий потенциал компонентов шихты для коксования.

Сущность заявляемого технического решения заключается в следующем: для оценки оптимальности марочного состава угольной шихты для коксования предлагается определять обобщающий показатель - коэффициент оптимальности K_опт, представляющий собой произведение коэффициентов оптимальности по трем параметрам: K_опт=K₁*K₂*K_сп*100. Заявляемые коэффициенты отклонения от оптимального соотношения коксующихся углей 1 класса и 2 класса K₁=(100-[ΔK₁])/100 и K₂=(100-γ₂)/100 показывают отклонение промышленной шихты от оптимального содержания коксующихся углей 1 класса, содержание которых должно быть 32%, и коксующихся углей 2 класса, содержание которых должно быть 0%. Коэффициент оптимальности K_сп=(100-[ΔK_сп])/100)*(100-[ΔK_Y])/100 показывает отклонение промышленной шихты от оптимального содержания углей спекающихся (жирных) углей, содержание которых должно быть 30%, и отклонение жирных углей по толщине пластического слоя от эталонного, равного 30 мм.

Коксующиеся угли, используемые в оптимальной шихте, содержащей до 30% жирных углей марки Ж, делятся на два класса с использованием показателей коэффициента коксуемости (K_см) смеси исследуемого угля с эталонным жирным углем марки Ж и индекса оптимальности () соотношения спекающих и отощающих основ.

Коэффициент коксуемости смеси (K_см) характеризует способность угля при коксовании образовывать высокопрочный кокс в смеси. Так, для оптимальных коксующихся углей данный коэффициент имеет значение K_см≥5,6 ед. Индекс оптимальности характеризует достаточность содержания в шихте спекающей основы для реализации коксообразующего потенциала исследуемого угля и рассчитывается как отношение содержания эталонного угля жирной марки Ж в смеси к содержанию исследуемого угля. Так, для оптимальных коксующихся углей данный коэффициент имеет значение ед.

В соответствии с данными показателями к коксующимся углям 1 класса относятся угли марок К, КО, ОС по ГОСТ 25543-88 с коэффициентом коксуемости K_см≥5,6 ед. и индексом оптимальности ед., т.е. это угли с высоким коксообразующим потенциалом, без которых невозможно получение прочного кокса. К углям 2 класса относятся угли марок К, КО, ОС, КС, КСН с K_см<5,6 ед. - т.е. это угли с низким коксообразующим потенциалом (слабококсующиеся угли), отрицательно влияющие на прочность получаемого кокса.

Способ определения оптимального состава угольной шихты для коксования осуществляли в ОАО «ЗСМК» в коксохимическом производстве в углеподготовительном цехе. Для этого производили ее подготовку и коксование с различным содержанием коксовых и спекающихся компонентов.

В таблице приведены составы промышленных угольных шихт для коксования, значения коэффициентов оптимальности данных шихт, рассчитанных по предлагаемому способу, и качество полученного кокса.

Так, состав угольной шихты (вариант №1), имеющий высокое содержание коксующихся углей 1 класса γ₁=27,2% и низкое содержание углей 2 класса γ₂=2,9%, содержание спекающихся углей (жирные угли марки Ж) γ_сп=34,3% и близкую к эталонной толщину пластического слоя жирных углей марки Ж (Y_Ж=29,5 мм), обуславливает высокое значение коэффициента оптимальности K_опт=88,5% и подтверждается хорошими прочностными характеристиками полученного кокса: истираемостью кокса, равной M10=7,7%, и послереакционной прочностью CSR=62,2%.

Из таблицы видно, что составы угольных шихт (варианты №1-№3) характеризуются высокими значениями коэффициентов оптимальности K_опт=78,7-88,5% за счет высокого содержания коксующихся углей 1 класса γ₁=20,6-27,2%, минимального содержания в составе угольной шихты коксующихся углей 2 класса γ₂=0-6,5%, оптимального содержания спекающихся углей (угли марки Ж) γ_сп=28,7-34,5% и толщины пластического слоя жирных углей Y=25,6-29,5 мм. Шихты имеют хорошие качественные показатели полученного кокса: истираемость кокса составляет M10=7,6-7,7%, а послереакционная прочность CSR=58,9-62,2%. Следовательно, подготовленные по предложенному способу угольные шихты для коксования являются близкими по составу оптимальным.

В вариантах №4-№5 при низких количествах в угольных шихтах для коксования коксующихся углей 1 класса γ₁=4,2-11,1, высоких содержаниях коксующихся углей 2 класса γ₂=26,3-34,8% и спекающихся углей γ_сп=21,0-27,5% и значения толщин пластического слоя углей марки Ж:Y=22,4-24,6 мм шихта характеризуются низкими значениями коэффициентов оптимальности = 39,3-54,4% и значения прочностных свойств кокса низкие: истираемость М10=8,9-10,5%, послереакционная прочность CSR=45,9-52,2%.

Таким образом, заявляемый способ позволяет управлять составом и качеством угольных шихт для коксования на основе коэффициента оптимальности K_опт и также объективно оценивать фактическую технологическую ценность угольных шихт для коксования и в целом сырьевой базы коксохимических предприятий.

Предлагаемый способ определения оптимального состава угольной шихты для коксования промышленно применим и может быть использован в коксохимическом производстве в области металлургии.

Изобретение может быть использовано в коксохимической промышленности. Угольную шихту для коксования, состоящую из нескольких компонентов, коксуют с различным содержанием коксовых и спекающих компонентов. После чего определяют коэффициенты оптимальности и оптимальный состав угольной шихты для коксования. В качестве коксовых компонентов используют коксующиеся угли 1 и 2 классов, а в качестве спекающих компонентов применяют угли жирных марок. Коэффициент оптимальности шихты рассчитывают по формуле K_опт=K₁*K₂*K_сп*100; где K₁ - коэффициент отклонения от оптимального содержания коксующихся углей 1 класса; K₂ - коэффициент отклонения от оптимального содержания коксующихся углей 2 класса; K_сп - коэффициент отклонения от оптимального содержания спекающих углей. Изобретение позволяет получить кокс с заданными прочностными свойствами, а также прогнозировать прочность кокса на основе коэффициента оптимальности. 1 табл.

Способ определения оптимального состава угольной шихты для коксования, состоящей из нескольких компонентов, включающий ее подготовку и коксование с различным содержанием коксовых и спекающихся компонентов и определение коэффициентов оптимальности, отличающийся тем, что в качестве коксовых компонентов используют коксующиеся угли 1 и 2 классов, а в качестве спекающихся компонентов применяют угли жирных марок, при этом коэффициент оптимальности шихты рассчитывают по формуле K_опт=K₁·K₂·K_сп·100, где K₁ - коэффициент отклонения от оптимального содержания коксующихся углей 1 класса; K₂ - коэффициент отклонения от оптимального содержания коксующихся углей 2 класса; K_сп - коэффициент отклонения от оптимального содержания спекающихся углей; причем расчет коэффициентов определяют по следующим формулам: K₁=(100-[ΔK₁])/100, где ΔK₁=γ₁-32 - отклонение от оптимального содержания коксующихся углей 1 класса, %; γ₁ - содержание в шихте коксующихся углей 1 класса, %; 32 - оптимальное содержание в шихте коксующихся углей 1 класса, %; K₂=(100-γ₂)/100, %, где γ₂ - содержание в шихте коксующихся углей 2 класса, %; а K_сп=(100-[ΔK_сп])/100)·(100-[ΔK_Y])/100, где ΔK_сп=γ_сп-30 - отклонение от оптимального содержания спекающих углей, %; γ_сп - содержание в шихте углей жирных марок, %; 30 - оптимальное содержание в шихте углей жирных марок, %, причем ΔK_Y=Y-30 - отклонение от оптимальной толщины пластического слоя углей жирных марок, мм; где Y - толщина пластического слоя в шихте углей жирных марок, мм; 30 - оптимальная толщина пластического слоя в шихте углей жирных марок, мм.