Способы полукоксования и коксования углей

Способы полукоксования и коксования каменных углей

Число известных способов полукоксования и коксования каменных и бурых углей очень велико. Полный обзор этих способов нельзя сделать в рамках этого курса, поэтому в табл. 24 указаны в основном те способы, которые имеют в настоящее время большое техническое значение или будут исследоваться в ходе дальнейших разработок. Систематизация этих способов основана, с одной стороны, на различии в способе теплопередачи, а с другой - на поведении угля при его полукоксовании или коксовании.

На практике используется как косвенная, так и прямая теплопередача. При косвенной теплопередаче тепло передается через металлические или керамические стенки, а в случае необходимости - от теплоносителя к углю. Процессы с использованием жидких теплоносителей пока не известны; в настоящее время применяют процессы с твердым или газовым теплоносителем. Среди способов, основанных на прямой теплопередаче, различают нагревание угля топочными газами и частичное сжигание угля. Используется комбинирование обоих способов, так что граница между ними расплывчата. Кроме того, имеются модификации, основанные на комбинировании косвенной и прямой теплопередачи. Соответствующие процессы даны в табл. 13.1 с указанием фирмы или учреждения-разработчика.

Таблица 24

Способ теплопередачи	Слоевая загрузка угольного слоя	Псевдоожиженный слой угля -	Взвешенный слой угля
Косвенная через стенку	Горизонтальные, наклонные и вертикальные камерные печи (различные фирмы по строительству коксовых печей); полукоксовая печь Krupp/Lurgi	Печь со слоем песка (Iniex)	Процесс предварительного полукоксования (Steinmuller)
твердым теплоносителем	Мелкозернистый коксик (Bergbau - Forschung), способ Lurgi/Ruhrgas; способ Toscoal; вращающаяся реторта (Oil Shell)		Процесс Garret
газообразным теплоносителем	Печь с внутренним обогревом газовым тепло носителем (Lurgi); реторта с внутренним обогревом газовым теплоносителем (Otto)
Прямая топочными газами			Реактор с входящим потоком (Eschweiler Bergwerk-Verlin) коксование с внутреним обогревом газовым теплоностелем (Bergbau - Forschung)
частичное сжигание угля	Подвижная цепная колосниковая решетка Peabody, кольцевая печь (Salem)	Установки FMC Сегchar и Вегgbau - Forschung

Коксование и полукоксование первоначально осуществляли преимущественно в стационарном и движущемся слое угля. В последнее время особое значение приобрели методы в псевдоожиженном слое, а также способы пневматической подачи топлива. Важнейшее значение для коксования угля имеет горизонтальная камерная печь, в которой тепло передается через керамические стенки. По этой причине далее подробно излагается технология работы такой печи. Эту давно используемую технику до настоящего времени не удалось заменить.

3. Высокотемпературное коксование

Высокотемпературное коксование углей является наиболее распространенным в настоящее время процессом термической переработки угля. Суммарная производительность коксохимических заводов мира превышает 350 млн. т кокса в год, а перерабатывается ежегодно около 500 млн. т обогащенных коксующихся углей.

Схема коксохимического производства в достаточной мере унифицирована во всем мире. Как правило, коксование угля осуществляют в горизонтальных коксовых камерах периодического действия с внешним обогревом, с улавливанием химических продуктов. Группы коксовых печей объединяют в коксовые батареи, работающие в едином технологическом режиме. Батареи имеют общий фундамент — устройства для подвода отопительных газов и воздуха, отвода продуктов горения и коксования (рис. 51).

Рис. 51. Коксовая батарея: 1—дымовая труба; 2— рабочая площадка; 3— камеры коксования; 4— контрфорс; 5— люк для отвода газа: 6— загрузочный люк; 7 — свод камеры; ^—перекрытие печей; 9— уровень обогрева; 10— вертикалы; 11—газоподводящий канал (корнюр); 12— регенератор; 13—подовый канал; 14, 16 — борова: 15— плита: 17— соединительный канал (косой ход); 18— отопительный простенок: 19 —под камеры; 20— общий боров

Уголь загружается, как правило, через люки на верху печи, а кокс выдается специальными механизмами в горизонтальном направлении. Отдельная коксовая печь является устройством периодического действия (продолжительность коксования изменяется в различных конструкциях от 12 до 24 ч). Однако коксовая батарея, объединяющая большое число коксовых печей, представляет собой устройство, обеспечивающее непрерывное получение кокса и химических продуктов. Система обогрева коксовых печей позволяет осуществлять равномерный прогрев кокса по высоте и длине камеры, а система теплообмена и переключения потоков газов в системе обогрева — достаточно экономное расходование тепла.

Полезный объем камер несколько меньше полного объема. так как угольная шихта загружается в коксовую печь не на всю высоту, а остается свободный проход для парогазовых продуктов коксования. Камеры коксования современных коксовых печей имеют следующие размеры: ширина 350—560 мм, полная длина 11000—17000 мм, высота 3000—7500 мм при полезном объеме 14—52 м³. Средний срок службы коксовых батарей 20—25 лет при максимуме более 40 лет. Производительность коксовой батареи от 200 до 1200 тыс. т кокса в год.

В течение последних десятилетий принципы сооружения оставались неизменными, однако габариты печей возросли, существенно повысилась степень механизации и автоматизации обслуживания коксовых печей, значительно сократился выброс газов и пыли при обработке печей.

Главной целью коксования угля по-прежнему является получение прочного кускового кокса для доменного процесса выплавки металла из железосодержащих руд. Тот факт, что примерно до конца XX в доменный процесс оставался основным и наиболее экономичным способом получения железа из руд, предопределяет сохранение на ближайшие десятилетия значительных мощностей по производству кокса, хотя рост мирового металлофонда и увеличение доли вторичного сырья в производстве стали должны привести к сокращению производства чугуна и доменного кокса.

Совершенствование технологии коксования в большой мере связано с необходимостью расширения сырьевой базы в первую очередь за счет более широкого использования слабоспекающихся углей, ресурсы которых значительно выше. Поэтому в большинстве стран осуществляют коксование смесей углей разных типов (угольных шихт), включающих как жирные и коксовые, так и газовые угли и угли более высокой, чем коксовые, степени метаморфизма. Научные основы коксования и принципы подбора угольных шихт, а также оптимальных режимов коксования обобщены в ряде монографий.

Рис. 52. Схема шихтовки (по наложению интервалов пластического состояния)

Как показано в этих работах, взаимодействие смеси углей при коксовании осуществляется в результате пластического контакта и межфазной радикальной поликонденсации в пограничной зоне остаточного материала угольных зерен. Оптимальные условия спекания в ходе межфазной поликонденсации можно определить путем наложения температурных интервалов пластического и активированного состояния компонентов (рис. 52). Полное или частичное совпадение этих интервалов позволяет добиться лучшего контакта остаточного материала угольных зерен и их совместной поликонденсации при спекании. В хорошо спекающиеся угольные шихты можно вводить и не переходящие в пластическое состояние угли или обуглероженные продукты (полукокс, коксовая мелочь). Пластическая масса хорошо спекающихся компонентов смачивает поверхность этих добавок, сорбируется на ней, и при спекании образуется достаточно прочный кокс. При этом, естественно, требуется более тонкое измельчение добавок. В шихты при получении доменного кокса может быть введено 5—10% таких добавок, а в случае приготовления недоменного кокса—и до 30%.

В настоящее время высококачественный металлургический кокс производят из угольных шихт, содержащих до 40% газовых и отощенных углей.

Дальнейшее увеличение доли слабоспекающихся углей связано с определенным изменением традиционных приемов подготовки углей для коксования и самих условий коксования. В настоящее время в СССР и за рубежом на стадии широкого промышленного освоения находится ряд новых технологических процессов.

Метод избирательного дробления угольных шихт состоит в сочетании дробления с отсевом угля мелких классов. При этом более твердые, слабоспекающиеся и минерализированные компоненты измельчаются тоньше, а хорошо спекающиеся, переходящие полностью в пластическое состояние компоненты,— крупнее. Это способствует ослаблению внутренних напряжении в теле кокса и повышает его прочность.

Предварительная термическая подготовка углей позволяет удалить влагу и нагревать уголь до загрузки в коксовые печи. При этом существенно (на 30—40%) сокращается период коксования и соответственно повышается производительность коксовых печей. К тому -же оказывается возможным получение кокса из шихт, содержащих до 70% слабоспекающихся углей. Это объясняется тем, что повышение скорости нагрева приводит к увеличению продолжительности существования жидкой фазы пластической массы газовых углей, т.е. скорость образования жидкой фазы оказывается больше, чем скорость се превращения в полукокс. Это расширяет температурный интервал пластичности газовых углей (рис. 13.2) и существенно улучшает спекаемость шихт, содержащих газовые угли.

Коксование уплотненных и частично брикетированных шихт способствует улучшению контакта между частицами угля, что создает более благоприятные условия для образования прочного кокса. Кроме того, за счет увеличения насыпной массы угольной шихты возрастает производительность коксовых печей.

При коксовании частично брикетированных шихт возможно дополнительное улучшение спекаемости благодаря тому, что брикетируют смесь угля со связующим, которое выполняет функции добавки, способствующей спеканию угля. Применение уплотненных и частично брикетированных шихт позволяет значительно увеличить долю слабоспекающихся углей в шихте. В Японии в настоящее время около 80% кокса производят при использовании частичного брикетирования.

Получение формованного кокса в отличие от методов, основанных на применении традиционных коксовых печей и угольных шихт, содержащих также хорошо спекающиеся угли, связано с принципиально новыми техническими решениями и с использованием только слабоспекающихся углей в качестве исходного сырья. В отличие от обычного кокса, куски которого имеют неправильную форму и от которого неизбежно отсеивают определенные количества слишком мелкого и слишком крупного кокса, формованный кокс имеет строго определенные размеры кусков, что значительно увеличивает его газопроницаемость. Как правило, механическая прочность формованного кокса значительно выше, чем прочность обычного кокса.

Формованный кокс получают по ступенчатой схеме. На первой ступени предварительно подготовленное сырье превращается в заготовки заданной формы и размеров. Это достигается либо путем брикетирования на прессах смеси углей со значительным содержанием слабоспекающихся или неспекающихся компонентов со связующим, либо путем придания определенной формы мелкораздробленному слабоспекающемуся углю, нагретому до температуры пластического состояния. В этом случае функции связующего выполняет жидкая фаза пластической массы.

На второй ступени полученные заготовки нагревают без доступа воздуха до 900—1100°С при малой скорости подъема температуры в вертикальных шахтных либо в кольцевых печах.

Летучие продукты высокотемпературного коксования на разных предприятиях близки по количеству и составу. Это объясняется не только заметным сходством состава исходного сырья — каменные угли средней степени метаморфизма, — но и тем, что они являются продуктами достаточно глубоких вторичных термических превращений.

При высокотемпературном коксовании образуются следующие продукты (в % от массы угля):

Коксовый газ	13—16
Каменноугольная смола	3—5
Сырой бензол	0,8—1,1
Пирогенетическая вода	2—4

Под сырым бензолом подразумевают смесь углеводородов, кипящих при температуре выше 60 °С и неконденсирующихся из газа при 30—40 °С. Их извлекают путем абсорбции маслами. Средний состав коксового газа [в % (об.)]:

Водород	57,0—62,0	Кислород	0,4—0,8
Метан	23.0—28,0	Аммиак	7,5—12,0
Монооксид углерода	4,8—8,5	Сероводород	2,5—25.0
Азот	1,9—5,0	Цианистый водород	1,0—2,5
Диоксид углерода и сероводород	1,8—2,5	Пиридин и его гомологи	0,3—0,5
Углеводороды С2 и выше	1,6—2,6

Состав сырого бензола, полученного при коксовании углей Донбасса [в % (масс.)]:

Бензол	76,17	Циклопентадиен	0,77
Толуол	12,00	Псевдокумол, бутилбензол, диэтилбензолы	0,27
Ксилолы и этилбензол	3,16	Мезитилен и о -этилтолуол	0,15
Метилстиролы, инден, кумарон	2,20	Низкокипящие насыщенные углеводороды	0,14
Сероуглерод	1,30	Метилтиофены	0,13
Стирол, м - и п -этилтолуолы	1,28	Прочие	1,33
Тиофен	1,10

Содержание сероводорода, аммиака, цианистого водорода и пиридиновых оснований находится в прямой зависимости от количества серы и азота в исходном угле.

Существует определенная последовательность обработки летучих продуктов коксования, выходящих при температуре 700—800 °С из печи (табл. 25).

Таблица 25