Розрахунок вугільної шихти для коксування

Зміст

Вступ

1. Вимоги до якості вугілля, яке йде на коксування

2. Призначення вуглепідготовчого цеху

3. Розрахунок вугільної шихти для коксування

4. Стадії підготовки вугільної шихти до коксування

4.1 Прийом вугілля

4.2 Попереднє дроблення

4.3 Збагачення вугілля

4.4 Зберігання і усереднення вугілля

4.5 Дозування компонентів шихти

4.6 Кінцеве подрібнення

4.7 Змішування вугільної шихти

Висновки

Перелік літератури

Вступ

Україна має великі запаси горючих корисних копалин, головним чином вугілля. Це свідчить, що раціональне використання запасів земних надр в перспективі повинно стояти в максимальному наближенні витрат горючих копалин відповідно їх запасам, тобто збільшення добутку та використання вугілля.

Тенденції до збільшення використання вугілля спостерігаються також і в світовій практиці. Так, наприклад, деякі західні спеціалісти вважають, що у найближчому часі рівень споживання нафти буде перевищувати рівень її здобутку. Це призведе до прискорення зниження порівняно невеликих запасів нафти. В таких умовах споживання вугілля набуде більш великого значення.

Одним з ефективних способів технологічного використання кам‘яного вугілля є високотемпературне коксування. Таку переробку вугілля здійснюють коксохімічні підприємства, які виробляють кам’яновугільний кокс, коксовий газ та широкий асортимент продуктів коксування. Споживачами цієї продукції є чорна та кольорова металургія, хімічна промисловість, машинобудування та інші галузі народного господарства.

Сучасна коксохімічна промисловість України по об’єму виробництва коксу займає одне з перших місць в світі. Покращується технологія виробництва, будуються нові коксові батареї з печами великої ємкості, систематично модернізується обладнання заводів, покращуються технічно-економічні показники.

Відомо, що сучасна коксохімічна промисловість України по об’єму виробництва коксу займає одне з перших місць в світі. Доменне виробництво до кінця цього століття залишиться основним в виробництві чорних металів. Головним джерелом теплової енергії та відновником в цьому процесі є кам’яновугільний кокс, який отримують традиційним шаровим способом. Тому глибоке знання технології приготування вугільних шихт, оптимальне використання природних властивостей кожного з вугіль, які входять у склад шихти, вміння та творче відношення до діла допоможуть спеціалістам-коксохімікам знаходити та використовувати резерви які вже є, кваліфіційно вирішувати складні завдання забезпечення чорної металургії та інших галузей народного господарства коксом високої якості.

1. Вимоги до якості вугілля, яке йде на коксування

Для грамотного, науково-обґрунтованого використання вугільних запасів в сучасних технологічних процесах їх переробки необхідно знати індивідуальні особливості кожного з них в залежності від природи, басейнової належності, ступеню зрілості и т. п.

В теперішньому часі вугілля використовується, в основному, як паливо: частина кам’яного вугілля застосовується в коксохімічному виробництві, низькометаморфізованому та бурому вугіллі – для напівкоксування, брикетування, газифікації, виробництва воску та гумінових препаратів, високометаморфізованих (напівантрацитів, антрацитів) – для виробництва електродної продукції. Існують можливості використання вугілля для виробництва синтетичних рідких палив, формованого коксу, твердих вуглецевих відновників, адсорбентів, відновних газів, синтез-газу, нових видів пластмас, стимуляторів росту та розвитку рослин.

Тому в теперішній час на перший план у вивченні мінерально-сировинних ресурсів твердих горючих копалин поставлена задача, яка передбачує оцінку запасів вугілля по різноманітним напрямкам їх використання у народному господарстві. Такий підхід дозволить більш ефективно застосовувати вугілля в тому чи іншому технологічному або енергетичному процесі, а, тобто, вирішувати актуальну проблему ресурсо- та енергозбереження.

Одною з головних задач в області утворення надійної вугільної сировинної бази для коксування є раціональне використання запасів спікливого вугілля які має Україна.

В промислових класифікаціях вугілля приймаються, як правило, ті параметри, які в більшій мірі визначають можливість та ефективність використання їх в різноманітних галузях народного господарства. В державних стандартах визначені різні вимоги вуглеспоживаючих галузей народного господарства по наступним показникам властивостей: для коксування – вихід летких речовин та товщина пластичного шару; для спалювання в котельнях установках при шаровому спалюванні – вихід летких речовин, товщина пластичного шару та теплота спалювання; для пиловидного спалювання – вихід летких речовин, теплота спалювання, хімічний склад золи, температура плавлення золи.

Наприклад, колись існував ГОСТ 8180-75, який класифікував вугілля Донецького басейна (табл. 1.1).

Таблиця 1.1 – Класифікація марок вугілля по групам

Марки вугілля	Групи	Вихід летких речовин , %	Товщина пластичного шару (у), мм
Д – довгополум‛яне	-	більш 35	менш 6
Г – газове	Г 6	більш 35	від 6 до 10 вкл.
	ГЖ 6	від27 до менш 35	від 6 до 10 вкл.
Ж – жирне	ГЖ 11	від 27 до менш 35	від 11 до 16 вкл.
	Ж 17	від 27 до менш 35	від 17 до 21 і більше
К – коксове	К 21	від 18 до менш 27	21 і більш
	К 14	від 18 до 22	від 14 до 20 вкл.
ПС – пісне спікливе	ОС 6	від 14 до 22 вкл.	від 6 до 13 вкл.
	ОС	від 14 до 22 вкл.	менш 6
Т – пісне	-	від 8 до 17 вкл.	-
А – антрацит	-	менш 8	-

Цей ГОСТ приводиться тут у зв’язку з його широким використанням у науково-технічній літературі, яка до теперішнього часу не вийшла з використання.

В якості технологічних властивостей вугілля звичайно називають ті з них, які дозволяють використовувати вугілля в якості сировини для технологічної переробки. До них можна віднести вихід летких речовин та спікливість. Вихід летких речовин з кам’яного вугілля варіюється в широких межах (від 8 до 50 %). Цей показник впливає на вихід коксу з камери коксування, його усадку и тріщинуватість, є важливим параметром їх властивостей.

Спікливість вугілля обумовлює утворення цілісної структури коксу, тобто його шматків з дробленого вугілля, тому є необхідним показником властивостей вугілля при використанні його для виробництва коксу.[5]

Всі промислово розвинуті країни мають свої промислові класифікації вугілля, засновані на різноманітних показниках, тому була розроблена міжнародна класифікація кам’яного вугілля, яка засновується на наступних параметрах:

1. Класи вугілля (перша цифра коду) – по виходу летких речовин (, %) та теплоті спалювання повітряно-сухого та беззольного вугілля (при температурі повітря 30^о С та відносній вологості 97 %).

Номер класу	, %
0	0 – 3	-
1 А	3,0 – 6,5	-
1 В	6,5 – 10,0	-
2	10 – 14	-
3	14 – 20	-
4	20 – 28	-
5	28 – 33	-
6	> 33 (33 – 41)	> 7750
7	> 33 (33 – 44)	7200 – 7750
8	> 33 (35 – 50)	6100 – 7200
9	> 33 (42 - 50)	5700 – 6100

2. Групи вугілля (друга цифра коду) – за показниками спікливості визначальним способом вільного спучування в тигельній пробі та порівняння отриманих корольків з еталонними, а також методом Б. Рога.

Група	Індекс спучування	Індекс Рога
0	0 – 0,5	0 – 5
1	1,0 – 2,0	5 – 20
2	2,5 – 4,0	20 – 45
3	> 4,0	> 45

3. Підгрупи вугілля (третя цифра коду) – по показникам коксуємості, який визначається по методу Е. Одіберу – Ц. Арню або по Т. Грей – Дж. Кінгу.

Підгрупа	Показник максимального спучування за методом Одібера-Арню	Тип коксу за методом Грей - Кінга
0	Розширення немає	А
1	Тільки контракція	В – Д
2	0	Е – д
3	0 – 50	д1 – д4
4	50 – 140	д5 – д8
5	> 140	> д8

Тип вугілля позначається номером по коду, який складається з трьох цифр, перша з яких показує клас, друга – групу, третя – підгрупу вугілля.

Всього по міжнародній класифікації встановлено 61 тип вугілля, які об’єднані в 11 статистичних груп або торгових марок: I, II, III, IV, VA, VB, VC, VД, VIA, VIB і VII.

Наприклад, код вугілля по міжнародній класифікації вугілля 334. Внаслідок, він відноситься до VA статистичній групі та має наступні технологічні показники:

а) клас 3 (= 14-20 %);

б) група 3 (індекс спучування > 4,0; індекс Рога > 45);

в) підгрупа 4 (показник спучування за методом Одибера-Арню – 50-140; тип коксу за методом Грей-Кінга д¹ – д⁴).

Однією з найважливіших характеристик вугілля є і відбиткова здатність (R₀, %). Ця властивість поверхні вугілля відбивати ту або іншу кількість падаючого світла. Чисельні значення величини R₀ представляє собою відношення інтенсивності світла, відбиваючого від дзеркальної площини полірованої поверхні шматка вугілля, до інтенсивності світла, падаючого на цю поверхню.

Відбивна здатність вугілля залежить від показників переломлення світла цього вугілля N та середовища N_C, в якій виробляється вимірювання. Вона описується рівнянням Френеля:

.

Вимірювання виробляється відносно еталону – мінералу з відомою величиною відбивної здатності.

Величина відбивної здатності вугілля визначається по одному з петрографічних мікрокомпонентів, звичайно по вітриніту. Вона залежить від ступеню зрілості та є зовнішнім фізичним виразом комплексу складних перетворень вугілля в надрах Землі. Тому її використовують в якості параметру ступеню хімічної зрілості вугіль.

В той самий час, як показали дослідження, початі І. В. Єреміним та отримавши широкий розвиток в роботах американських, японських і європейських вчених, оцінка вугіль як сировини для коксування і навіть прогноз механічної міцності отриманого коксу можуть бути здійснені при використанні комплексу генетичних та технологічних параметрів, таких як ступінь метаморфізму (показник відображення вітриніту), петрографічний склад та спікливість (товщина пластичного шару або текучість по Гізелеру, або індекс вільного спучування ) .

Вугільна шихта – це суміш вугілля різних марок, які взяті в визначеній пропорції, для отримання коксу відповідної якості. Зараз коксують багатокомпонентні вугільні суміші.

При складанні вугільної шихти потрібно орієнтуватися на отримання коксу з заданими технічними характеристиками (зольністю, сірчистістю, міцністю і крупністю). Склад вугільної суміші повинен бути таким, щоб забезпечував необхідну повноту спікання, а в період переходу в пластичний стан – достатній і безпечний для кладки коксових печей тиск розпирання, який забезпечує утворення доброї структури і кусковатість коксу [1].

При складанні шихти потрібно враховувати розташування шахт, технологічну схему вуглепідготовчого цеху коксохімічного підприємства, можливості вуглеприйому та дозування вугілля, а також стану кладки коксових печей. Вміст вугілля в шихті залежить від властивостей окремих технологічних марок.

Газове вугілля, яке добувають в Донбасі, відноситься в основному до технологічної групи Г6, яка характеризується порівняно невеликою товщиною пластичною шару, великою кількістю виходу летких речовин і підвищеною пластометричною усадкою. Газове вугілля Г16 відрізняється від Г6 кращою спікливістю і більшою товщиною пластичного шару. Тому кокс в утворенні якого бере участь вугілля марки Г16 отримують більш міцніший ніж з участю вугілля Г6.

При самостійному коксуванні слабоспікливе газове вугілля не дає шматкового коксу. Газове вугілля середньої спікливості утворює порівняно мілкий кокс з невисокою механічною міцністю, а газове вугілля підвищеної спікливості – добре проплавлений легко подрібнюваний кокс. Кокс із газового вугілля має велику реакційну здатність.

Присутність газового вугілля в шихті підвищує кінцеву усадку коксового пирога і сприяє легкій видачі його із коксової камери, а також сприяє збільшенню виходу газу і хімічних продуктів і забезпечує найбільш високий коефіцієнт десульфації в процесі коксування. При підвищеному вмістові газового вугілля в шихті вихід коксу зменшується.

Жирне вугілля технологічної групи Ж21 є головним компонентом шихти. Його присутність в шихті забезпечує її високу спікливість і добру міцність коксу. Жирне вугілля має у = 25-35мм і добре коксується, але при підвищеному його вмісті в шихті кокс отримують тріщинуватий і дрібний.

Вугілля групи Ж13 по властивостям наближене до газового вугілля. Воно знижує поперечну тріщинуватість коксу, але при надлишковому вмісті в шихті сприяє збільшенню повздовжньої тріщинуватості.

При самостійному коксуванні вугілля марки Ж21 утворює добре проплавлений кокс невисокої міцності, вугілля групи Ж13 – мілкий, тріщинуватий, неміцний кокс. Жирне вугілля дає високий вихід смоли, бензолу, газу.

Коксове вугілля в шихті додає коксу високу механічну міцності і однорідну шматкуватість. Деяке вугілля марки К при коксуванні розвиває значний тиск розпирання, який небезпечний для цілісності коксових печей.

При самостійному коксуванні коксове вугілля дає великий рівномірний по шматковатості кокс високої міцності з незначною кількістю тріщин.

Пісне спікливе вугілля робить шихту пісною і зменшує її усадку. В результаті зменшується тріщинуватість коксу, а крупність підвищується. Вугілля марки ПС з малим пластичним шаром, збільшує стирання коксу – кокс стає більш засміченим і нерівномірним по шматковатості.

Вугілля марки ПС дає малий вихід газів і хімічних продуктів. Слід враховувати, що деяке вугілля групи ПС6 при коксуванні розвиває великий тиск розпирання.

При складанні шихти потрібно враховувати наступні положення:

1)         вугільна суміш при нагріванні повинна мати оптимальну спікливість;

2)         при складанні шихти для отримання міцного коксу потрібно розглядати сумісність вугілля при термічної деструкції, як по температурним межам пластичності, так і по хімічним властивостям;

3)         збільшення долі газового вугілля потребує диференціації шихт, виключаючи в них великої кількості слабоспікливого газового вугілля і пісного спікливого. Шихта з високим вмістом газового вугілля повинна включати значну кількість коксового і близьку до нього жирного вугілля.

Промислова шихта складається з урахуванням і інших показників: зольність, збагаченість, сірчистість, вихід летких і хімічних продуктів коксування, можливість легкої видачі коксу із коксових камер.

Розглянемо вплив складу шихти і властивостей шихти на якість коксу.

Підготовлена до коксування шихта повинна мати такі властивості, які дозволяють отримати із неї кокс, який відповідає вимогам споживача.

Основним споживачем коксу є доменне виробництво. Вимоги до якості коксу дуже різноманітні, так як він виконує ряд важливих функцій – являється паливом, твердим відновником і матеріалом для отримання газоподібного відновника, розрихлювачем стовпа шихтових матеріалів, забезпечуючи його газопроникність, дренажним шаром для рідких продуктів плавки.

Крупність коксу характеризується або гранулометричним (ситовим) складом або середнім розміром шматків коксу. Найбільш правильним і технічно обумовлений потрібно враховувати використання коксу в доменному виробництві з розміром шматків 20-60 мм.

Зі збільшенням долі газового вугілля в шихті, ростом швидкості і кінцевої температури коксування вміст великих шматків зменшуються. При тонкому подрібненні шихти підвищується шматкова рівномірність коксу, а саме зменшується вміст шматків > 80 мм і збільшується вміст середніх шматків (40-80 мм).

Міцність коксу визначається його здатністю протистояти механічним подрібнювальним зусиллям. Міцність коксу залежить від ряду технологічних факторів: спікливість і коксуємість шихти, технології приготування, рівномірність прогріву всієї вугільної маси по довжині і висоті коксової камери, кінцевої температури коксування і ступені готовності коксу.

Для отримання міцного коксу вугільна шихта повинна мати оптимальну спікливість. При не достатній спікливості шихти (пісна шихта) процес коксоутворення має поверхневий характер, зерна, які не спікаються ослаблюють структуру речовини коксу і являються додатковими джерелами утворення тріщин і підвищення подрібнення коксу. При підвищенні спікливості (жирна шихта) структура речовини коксу буде менш міцною і його руйнування буде супроводжуватись утворенням великої кількості дрібних класів. В цьому випадку в шматках коксу виникає велика кількість поперечних тріщин, що призводить до підвищеної подрібненості. Збільшення долі малометаморфізованого газового дає додаткові повздовжні тріщини, і це також знижує міцність коксу. Покращення коксуємості шихти призводить до збільшення міцності коксу.

Переподрібнення шихти зменшує її спікливість і знижується густина насипної маси, що збільшує пористість коксу. Міцність коксу при цьому зменшується.

Реакційна здатність коксу зменшується при збільшенні долі жирного і коксового вугілля в шихті, і збільшується при збільшенні газового і пісного спікливого.

Дуже суттєвий для визначення якості шихти є технічний аналіз вугілля, адже показники такі як: зола, сірка, вихід летких речовин і волога є визначальними критеріями якості коксу.

Зола – це негорюча частина вугілля, яка складається з мінеральних речовин, які входять до складу палива. Вугілля в більшій чи меншій ступені в своїй структурі містить включення мінеральних домішок, які не залежать від ступені метаморфізму, а зумовлені умовами добування і їх утворенням в процесі вуглефікації.

Зола вугілля має приблизно наступний склад, %: 36-40 SiO₂, 22-27 Al₂O₃, 22-30 Fe₂O₃, 3-7 CaO, 1-2 MgO. Маса золи зазвичай менша ніж маса мінеральних домішок до спалювання (в основному в результаті виділення СО₂) Зола є баластом при транспортуванні вугілля. Також вона негативно впливає на якість доменного коксу. Вугілля з високою зольністю має низьку теплоту згорання. Якість коксу із них погіршується – знижується міцність, зменшується вміст вуглецю. При підвищенні зольності на 1% витрати вапняку в доменному процесі зростають на 2,5 %, а використання коксу збільшується на 1,5-2,5 %. Все це знижує продуктивність доменної печі на 2,0-2,5 %.

Для отримання шихти з визначеною і постійною зольністю використовують методи збагачення і усереднення. Для зниження зольності потрібне глибоке збагачення.

Сірчистість вугілля. Вміст сірки в рядовому вугіллі коливається в великих межах – від 0,4-8,0 %. При коксуванні майже вся сірка залишається в коксі. У випадку попадання її в сталь вона утворює сірчане залізо у вигляді різних включень, надаючи металам червоної ламкості – властивість руйнуватися при обробці в нагрітому стані. При плавленні чавуну сірку переводять в шлак, збільшуючи використання флюсів.

В вугіллі сірка може знаходитись в трьох різновидах: колчеданна, сульфатна та органічна. В процесі підготовки вугілля до коксування при його збагаченні і при коксуванні частина сірки видаляється.

Економічно вигідно мати мінімальний вміст сірки в доменному коксі, але цього не завжди можна досягнути. Тому рекомендується складати шихту з урахуванням особливості споживача коксу. Це дозволяє більш раціонально використовувати дефіцитне малосірчисте вугілля.

Вологість. Волога в вугіллі являється баластом, який збільшує затрати на його транспортування, затрудняє підготовку вугілля до коксування, його зберігання на складах, видання з місць зберігання і дозування. Вологе вугілля погано сортується, що призводить до погіршення режиму збагачення. Збільшення вологості готової шихти вище 8 % призводить до додаткової витрати тепла при коксуванні на 30 кДж/кг шихти на кожний процент вологи. При збільшенні вологи шихти порушується обігрів коксової камери – перегрівається низ і недостатньо нагрівається верхня частина. При високій вологості погіршується стан кладки коксових печей. Збільшення (зменшення) вологості шихти проти оптимальної на 1 % призводить до збільшення (зменшення) періоду процесу коксування на 20 хвилин.

Оптимальний вміст вологи в шихті для коксування не повинний перевищувати 7 %.

Вихід летких речовин. Леткими речовинами називається хімічні паро- газоподібні речовини, які виділяється з вугілля при нагріванні при високих температурах без доступу повітря.

Вихід летких речовин характеризують властивості вугілля, а саме з якою метою використовують: енергетичною чи технологічною.

Оптимальними показниками, які повинна мати вугільна шихта є: вологість - < 7,5 %; зольність - < 9,4 %; сірчистість - < 2 % (чим менше сірки тим краще); вихід летких речовин – 27-29 %.