ПЫЛЕУГОЛЬНОЕ ТОПЛИВО ДЛЯ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ Российский патент 2015 года по МПК C10L5/00 C10B57/06 C10B53/00 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к процессу доменного производства с целью увеличения количества заменяемого кокса, и может быть использовано в теплоэнергетике.

В настоящее время общей тенденцией в доменном производстве является неуклонное сокращение доли металлургического кокса в энергетическом и материальном балансе доменной плавки по причине его высокой стоимости. Сокращение достигается путем замены части металлургического кокса другими видами технологического топлива, такими как: природный газ, мазут, каменноугольная смола или пылеугольное топливо (ПУТ). Последнее по разным источникам может заменить до 30-50% массы кокса, расходуемого на выплавку чугуна

Высокоскоростная и высокотемпературная газификация ПУТ в зоне горна доменной печи дает возможность частично заменить две функции из трех, выполняемых более дорогостоящим коксом: производство тепла и восстановительных газов.

Выбор исходных компонентов для ПУТ определяется свойствами, которыми должно обладать пылеугольное топливо, а именно:

- теплотворная способность ПУТ должна быть приближена к теплотворной способности кокса;

- ПУТ должен быстро сгорать в фурменной зоне, чтобы не образовывать замусоренность столба шихтовых материалов, ухудшающую газопроницаемость и фильтрацию жидких продуктов. Это требование определяет тонину помола (<90 мкм) сырьевых материалов при производстве ПУТ;

- зола, образующаяся при сгорании ПУТ, должна быть легкоплавкой;

- также необходимо, чтобы ПУТ обладал низкой абразивностью, слипаемостью, коксуемостью.

Для производства ПУТ чаще всего используют смесь из 2-3 типов углей и твердых остатков их термической переработки (коксования или полукоксования), причем, как правило, один из компонентов смеси - это уголь с высоким содержанием летучих веществ, обеспечивающий быстрое воспламенение смеси. Однако деструкция углей с высоким выходом летучих веществ требует значительных затрат тепла и это существенно снижает коэффициент замены кокса.

Известно пылеугольное топливо, состоящее из высокосернистого практически беззольного нефтяного полукокса с добавкой десульфуратора (патент РФ №2490316 «Пылеугольное топливо для доменной плавки»). Недостатками такого ПУТ является высокое содержание серы в нефтяном полукоксе (4,2%), что само по себе приведет к увеличению расхода кокса, а добавка десульфуратора уменьшит содержание в шихте участие железорудного агломерата и соответственно производительность агрегата по чугуну. Кроме того, общеизвестно, что твердые продукты термической переработки нефти, даже полученные в режиме полукоксования, обладают крайне низкой реакционной способностью, что ставит под сомнение возможность его полной газификации в зоне горна.

Также известно, что абразивная способность коксов и полукоксов намного выше абразивности угля.

Наиболее близким к заявляемому ПУТ является патент РФ №2349634 на пылеугольное топливо для доменных печей, содержащее тонкоизмельченные газовые угли, к которому дополнительно присаживается тонкоизмельченный кокс, полученный из термически обработанных инертным носителем газовых малосернистых углей, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Недостатком данного ПУТ является что, что при большом содержании газовых углей потребуется большое количество тепла на их термическую деструкцию, а при большом участии коксовой пыли, полученной из газовых углей, будет проявляться высокая абразивность, но не будет обеспечиваться необходимая скорость и полнота ее газификации вследствие недостаточного уровня химической активности (см. табл. 1).

Технические результаты, достигаемые при использовании заявляемого изобретения, обеспечивают:

- повышение экономичности доменного производства;

- улучшение экологичности доменного производства;

- расширение сырьевой базы материалов, используемых в качестве пылеугольного топлива, связанных с доменным производством;

- утилизацию пылевидных отходов установок сухого тушения кокса (пыль УСТК).

Предлагается следующий состав смеси сырьевых материалов для производства ПУТ, % масс.: угли с низким выходом летучих веществ - 50-55; полукокс из бурых углей Канско-Ачинского бассейна - 40-45; пыль УСТК - 5-10.

Технические результаты достигаются за счет того, что в пылеугольное топливо для доменной плавки, содержащем 50-55% масс. тонкоизмельченного энергетического кузнецкого угля с низким (10-18% масс.) выходом летучих веществ, добавляются 40-45% масс. мелкодисперсного полукокса (БПК), полученного по технологии «Термококс», при температуре 600-650°C из дешевых низкозольных бурых углей Канско-Ачинского бассейна углей и 5-10% масс. пылевидных отходов процесса сухого тушения кокса (коксовая пыль УСТК).

Малосернистые (содержание серы 0,3-0,4%) энергетические угли с низким выходом летучих веществ (марки Т, СС) составляют более 30% масс ресурсов углей Кузнецкого угольного бассейна. После 2000 г. в Кузбассе введены в эксплуатацию для получения низкозольного продукта из этих углей 4 обогатительные фабрики общей мощностью 13 млн. т/год.

Угли с невысоким выходом летучих веществ имеют низкую реакционную способность и для интенсификации процесса их газификации в ПУТ предлагается добавлять мелкодисперсный полукокс, полученный при температуре 600-650°C из дешевых низкозольных бурых углей Канско-Ачинского бассейна углей. Этот продукт имеет содержание углерода 89-91% масс., исключительно высокую реакционную способность (14,2-12,4 мл/г·с, развитую внутреннюю поверхность 175-205 м²/г (Школлер М.Б. «Полукоксование каменных и бурых углей». Новокузнецк, 2001 г, с. 122, табл. 4.1).

Пример 1: Для установления эффективности использования БПК в качестве инициатора окисления угольной пыли в доменной печи оценили его химическую активность при взаимодействии с кислородом на установке дифференциально-термического анализа Паулик-Эрдеи-Паулик.

Начало горения БПК отмечалось при температуре около 200°C. Максимальная скорость реакции имеет место при 400°C. Максимум скорости реакции кислорода с углем Т приходится на температуру 520°C при значении, которое почти в 4 раза ниже, чем у полукокса. Интересно протекает процесс окисления смеси, состоящей из 50% БПК и 50% Т (рис. 1 - влияние температуры на скорость реакции окисления кислородом БПК и угля Т).

Имеются 2 максимума реакции. Первый из них наблюдается: при 350°C, что соответствует развитию процесса инициирования; второй - при 450°C, что на 70°C ниже, чем у Т и на 100°C выше, чем у БПК. Скорость реакции во втором максимуме - наиболее высокая из всех исследованных образцов и представляется как результат сложения скоростей окисления БПК и Т. Скорость реакции окисления в данном случае значительно выше, чем при использовании в качестве инициатора угля, поскольку процессы удаления влаги из угля и его деструкции были реализованы при полукоксовании. Следовательно, применение БПК в качестве инициатора зажигания более эффективно с точки зрения экономии кокса, так как он имеет более низкий выход летучих веществ, к тому же состоящих в основном из СО и Н₂, являющихся восстановителями (табл. 2) (Школлер М.Б. «Полукоксование каменных и бурых углей». Новокузнецк, 2001 г., с. 122, т. 4.1).

БПК обладает высокой адсорбционной способностью. Это его свойство предоставляет возможность значительно упростить технологию приготовления ПУТ из смеси угля и полукокса. При смешении компонентов БПК адсорбирует влагу с поверхности угольных частиц, что позволяет не использовать внешний теплоноситель в процессе помола. В результате этого снижаются энергозатраты и количество газообразных выделений в атмосферу (Пат. 2320700 РФ. МКИ C10B 57/06. Способ приготовления пылеугольного топлива и установка для осуществления способа). При использовании в смеси БПК увеличивается серопоглощающая способность доменной шихты вследствие природного высокого содержания оксидов кальция в золе угля и соответственно полукокса (55-59%).

Данный эффект был показан в опытно-промышленных экспериментах, по вдуванию БПК в горн доменной печи №1 на Западно-Сибирском металлургическом комбинате. По сравнению с исходной технологией содержание серы в чугуне снизилось с 0,023 до 0,021% (Слепцов Ж.Е., Гусаров А.К., Ашпин Б.И., Динельт В.М., Школлер М.Б., Эльберт Э.И. Опыт вдувания в доменную печь полукокса из бурых углей// БНТИ «Черная металлургия», 1975, №2, с. 37-40).

Было показано, что абразивная способность обуглероженных продуктов (кокса и полукокса) может быть нивелирована при их смешении с тонкоизмельченными углями.

Пример 2: Определение абразивной способности выполнялось по ОСТ 41-89-74 на приборе для определения абразивности горных пород ПОАП 2М, в котором испытуемый образец взаимодействует с дробью при вращении со скоростью 1400 об/мин в течение 20 мин. Индекс абразивности рассчитывается по формуле

где

Q - потеря массы пробы, мг.

Были получены следующие результаты:

Топливо К_абр БПК 0,9 Т 0,3 Т:БПК_сэс=1:1 0,3

Абразивное действие полукокса, которое в 3 раза выше, чем у угля Т, после смешения с последним практически исчезает. Полукокс как бы размещается внутри угольной матрицы.

Ресурсы пригодных для открытой добычи низкозольных (содержание золы 4-7%) малосернистых (содержание серы 0,3-0,5%) бурых углей в Канско-Ачинском бассейне составляют более 30 млрд.т. Их переработка в полукокс может быть осуществлена по технологии «Термококс», прошедшей длительную опытно-промышленную проверку и готовую к крупномасштабному тиражированию (Исламов С.Р. Энерготехнологическая переработка угля. Красноярск: ООО Поликор. - 224 с.). При получении БПК по данной технологии его зольность составит 8-9%, выход летучих веществ 12-15%.

Высокая химическая активность буроугольного полукокса дает возможность вводить в состав пылеугольного топлива такие трудно воспламеняемые компоненты, как пылевидные отходы процесса сухого тушения кокса, близкие по своим свойствам (содержание золы, серы, выход летучих веществ) к металлургическому коксу. Этот путь утилизации данных отходов является более целесообразным, чем традиционная их подача в шихту агломерационных производств.

Пример 3: Определяли с помощью прибора термогравиметрического и дифференциального калориметрического анализа LABSYS evo TG DTG DSC 1600 динамику тепловыделения при окислении в кислороде смесей углей марки Г с коксовой пылью в соотношении 1:1 (проба 1, близкая к прототипу) и угля марки Т в соотношении 1:1 со смесью коксовой пыли и буроугольного полукокса также (проба 2, заявляемая смессь). Результаты приведены на рис. 2 - Сравнительная DSC-диаграмма тепловыделения.

Из рис. 2 видно, что процесс окисления заявляемой смеси (проба 2) протекает более интенсивно и заканчивается раньше, а общее тепловыделение, определенное по площадям пиков, более чем 1,5 раза превышает тепловыделение при окислении пробы 1. Это происходит вследствие меньших затрат тепла на деструкцию угля с низким выходом летучих веществ.

Кроме того, использование материалов с низким выходом летучих веществ, являющихся, как известно, практически бездымным топливом, позволит улучшить экологические показатели процесса выплавки чугуна в доменных печах. Повышенное интенсивное тепловыделение при окислении, обусловленное высокой химической активностью буроугольного полукокса, позволит обеспечить достижение необходимой величины коэффициента замены кокса при меньшем расходе ПУТ, обусловленное высокой химической активностью буроугольного полукокса.

Изобретение описывает пылеугольное топливо для доменной плавки из углеродсодержащего материала, при этом углеродсодержащий материал включает 50-55 мас.% низкозольного и низкосернистого тонкоразмолотого угля с низким выходом летучих веществ, 40-45 мас.% мелкодисперсного полукокса, полученного при температуре 600-650°C из низкозольных и низкосернистых бурых углей, и 5-10 мас.% пылевидных отходов процесса сухого тушения металлургического кокса. Использование материалов с низким выходом летучих веществ, позволяет улучшить экологические показатели процесса выплавки чугуна в доменных печах. Повышенное интенсивное тепловыделение при окислении, обусловленное высокой химической активностью буроугольного полукокса, позволяет обеспечить достижение необходимой величины коэффициента замены кокса при меньшем расходе ПУТ, а также более рационально утилизировать высокоуглеродистые отходы процесса сухого тушения металлургического кокса. 2 ил., 2 табл., 3 пр.

Пылеугольное топливо для доменной плавки из углеродсодержащего материала, отличающееся тем, что углеродсодержащий материал содержит низкозольный и низкосернистый тонкоразмолотый уголь с низким выходом летучих веществ, мелкодисперсный буроугольный полукокс, полученный при температуре 600-650°C из низкозольных и низкосернистых бурых углей, и пылевидные отходы процесса сухого тушения металлургического кокса в следующем соотношении, мас.%:
- уголь с низким выходом летучих веществ 50-55;
- буроугольный полукокс 40-45;
- пылевидные отходы процесса сухого тушения металлургического кокса 5-10.