Прочитать публикацию в формате PDF 410 Кб Для чтения PDF необходима программа Adobe Reader

46

Ташполотов Ы.

Разработка технологии коксования углей Узгенского бассейна

Аннотация

Применение каменного угля Узгенского бассейна в качестве технологического сырья(кокса) для металлургической и химической отрасли и получения на их основе резино-технических материалов и изделий является перспективным направлением и актуальной задачей в современных условиях Кыргызской Республике.

В отчетном периоде исследованы процессы коксования каменного угля Маймакского участка Узгенского бассейна и определены их физико-механические и химические свойства, изучена обогащения каменного угля,

а также для получения кокса создана малогабаритная опытная коксовая установка. Полученный кокс передан для испытания в качестве технологического топлива в ОсОО Даут (Рембыттехника г Ош).

Исследовано также возможность использования кокса в качестве заменителя активного наполнителя (сажи) при получении резино-технических изделий и материалов.

Практическая ценность работы.

Разработанные технологии получения кокса из углей Узгенского каменноугольного бассейна являются основой получения кокса с заданными технологическими параметрами. Совокупность результатов теоретических и экспериментальных исследований и разработанные и совершенствованные методы коксования углей дают возможность оптимизации технологического процесса коксования угля.

При этом одним из крупных потребителей кокса являются литейное производство. Среди других потребителей кокса в черной металлургии являются производство огнеупоров, графитовых углеродов и извести. При выплавке цинка и меди, в производстве свинца и др. в качестве восстановителя также применяют в основном доменный кокс. Перечисленные направления использования кокса свидетельствуют о важности разработки технологии получения кокса на основе углей юга Кыргызстана и значительной роли кокса для развития отдельных отраслей промышленности.

Введение

В последние годы в Кыргызской Республике и за рубежом ведутся интенсивные исследования в области эффективных методов комплексной переработки углей с целью получения различных химических продуктов, твердых и синтетических жидких топлив. В ближайшей перспективе основная потребность в сырье для технологических целей будет покрываться за счет угля, так как запасы природного газа и нефти ограничены. Ограниченные запасы нефти и природного газа вызвали необходимость создания технических средств и устройств для получения газа, синтетических и твердых (кокс) топлив из твердых горючих ископаемых.

В соответствии с Правительственной энергетической программой Кыргызской Республики до 2005 года Постановление Правительства КР №353 от 16.07 2001 г. развития угольной промышленности возможности добычи угля составляет в 2005 году 1635,0 тыс. тонн. Однако, такие объемы не смогут покрыть всю потребность Республики в угле, поэтому будет необходимо импортировать 1650,0 тыс. тонн угля в 2005 году. Общие геологические запасы углей в КР по оценке 1968 года определяются в 33 млрд. т., из них учтенные составляют 3900 млн. тонн и прогнозные 2900 млрд. т. [1,2]. Таким образом, Кыргызстан принадлежат к числу стран, запасы угля в которых могут, обеспечит углепотребление на многие столетия.

Уголь можно перерабатывать в зависимости от желания в жидкое, газообразное и твердое топливо гидрогенизацией, газификаций, коксованием и полукоксованием. С экономической точки зрения превращение каменных углей в кокс весьма целесообразно, так как относительная ценность килограмма углерода в коксе в 1,5 раза выше, чем в угле. Отметим также, что относительная ценность химических продуктов коксования намного превышает ценность угля. Учитывая сказанное, обоснованно можно заключить, что коксование – один из эффективнейших способов переработки ископаемых каменных углей[2,4-7].

Между тем, в странах с развитой коксохимической промышленностью, интенсивно продолжались исследования, как по совершенствованию существующего процесса коксования, так и по созданию новой техники и технологии коксового производства. В последнее десятилетие на передовые позиции вышли Германия, Япония, США, Англия, Россия и Украина. Появилось большое количество новых разработок по подготовке углей к коксованию, новым конструкциям коксовых агрегатов большой единичной мощности, процессам подготовки кокса к доменной плавке, автоматизации и механизации производственных процессов, созданию новых непрерывных, экологически чистых технологий техники производства кокса. Необходимость развития научных основ коксования с целью совершенствования и технического перевооружения коксового производства диктуется повышенными требованиями потребителей к коксу.

По прогнозам Международного института черной металлургии (г. Брюссель) доменный процесс в ближайшие десятилетия остается основной технологией получения чугуна, причем систематически ведутся работы по его интенсификации и повышению экономичности путем применения повышенной температуры дутья, восстановительных газов, пылеугольного топлива и др. В связи с этим значительно возрастает роль кокса, особенно по прочности и крупности, для обеспечения необходимых условий ведения технологического процесса. Поэтому перед учеными и коксохимической промышленностью поставлена весьма трудная и сложная задача, от решения которой в большой мере зависит дальнейший прогресс в черной металлургии - разработать и осуществить рациональную систему развития техники и технологии производства, обеспечивающую получение высококачественного кокса в достаточном количестве. Решение этой задачи в условиях рыночных экономических отношений в Кыргызской Республике осложняется неблагоприятным развитием сырьевой угольной базы и значительным отставанием обновления физически и морально устаревшего оборудования в угольной отрасли. При этом, как известно, сырьевая база по группам хорошо коксующихся и определяющих спекаемость углей при существующей технологии, не отвечает требованиям.

Среди многих проблем, стоящих перед человечеством в начале нового тысячелетия, важное место занимает проблемы энергетические и экологические. И те и другие имеют прямое отношение к технологии угля. Уголь, запасы которого существенно превышают запасы других видов органического топлива, в наступающем ХХ1 столетии будет играть важную роль с одной стороны как энергетическое сырье, с другой стороны как химическое сырье, являющееся практически неисчерпаемым источником и для органического синтеза, и для извлечения из него различных минеральных компонентов.

В тоже время природный уголь - один из самых грязных видов топлива, так как неизбежно содержит большое количество потенциально опасных для окружающей среды соединений. Поэтому неквалифицированное использование угля, как в энергетике, так и в химической промышленности, может приводить к существенному загрязнению окружающей среды.

Перечисленные причины вызывают в настоящее время во всем мире повышенный интерес к технологии переработки угля, к научным и инженерным основам создания экологически чистых угольных технологий.

Пиролиз углей – это один из основных процессов в технологии их переработки и, в частности, получение продуктов полукоксования и коксования. Имеющие данные по пиролизу углей [2,4-7] показывают, что наряду с общими закономерностями пиролиза различных типов угля существует высокий уровень специфичности процесса, который определяется природой угля, стадией его метаморфизма, условиями и длительностью хранения, влажностью и рядом других факторов.

Известно, что неизотермический пиролиз угля включает три основные стадии:

• Десорбцию влаги и газов;

• Сублимацию труднолетучих компонентов угля;

• Образование летучих продуктов за счет термического разложения конденсированных компонентов угля, а также взаимодействие органической и минеральной составляющих углей.

Анализ литературы [2,4-7] по пиролизу углей показывает дефицит исследований кинетических закономерностей пиролиза углей.

Исследование активационных параметров процесса пиролиза углей и их учет совместно с данными по образующимся продуктам позволяет создание корректных моделей пиролиза углей. Таким образом, разработка технологии термической переработки угля для получения кокса на основе газовых и других слабоспекающихся и неспекающихся углей, установление оптимальных режимов процесса коксования, обеспечивающего получение качественного кокса (полукокса) является важнейшей задачей. Для управления этими процессами необходимо полностью знать все детали механизма коксования. Поэтому задача исследование сводится к теоретическому и экспериментальному изучению физико-технической и химико-технологической основы микроскопических реакций процесса коксования в целом.

Исследование процесса и создание новых методов коксования, таким образом, вызвано необходимостью получения высококачественного кокса из дешевых и недефицитных углей. В зависимости от применяемой технологической схемы, поученный кокс существенно отличается по прочности, термической устойчивости, пористости и реакционной способности. Этими свойствами определяется область его применения. Известные данные [4-7 ], показывают, что свойства кокса зависят не только от состава и строения углей, но в еще большей мере от условий их термической переработки. Термические превращения и свойства угольной массы зависят также от степени дисперсности углей.

Общеизвестно также, что ухудшение качества углей приводит к дополнительным затратам и большим потерям в сфере их использования. Вместе с тем их добыча сопровождается ухудшением главных качественных признаков угля: зольности, влажности и гранулометрического состава.

Наличие золы в технологическом топливе требует большого расхода кокса на производство, например чугуна и отрицательно влияет на производительность доменных печей, снижает КПД топливо использующих агрегатов и вызывает преждевременный износ некоторых узлов оборудования.

Практикой показано, что для коксования могут применяться угли почти с любым количеством минеральных примесей, если в процессе обогащения зольность их может быть доведена до кондиционного уровня.

Снижение зольности углей способствует улучшению петрографического состава углей и их коксуемости. Исследования углей различных месторождений юга Кыргызстана о петрографическом составе и структурно-химических преобразованиях органической массы в процессе коксования [1-2] показали, что по мере снижения зольности улучшаются коксуемость и физико-механические свойства кокса, что, по-видимому, связано с процессом конденсации за счет валентных связей, освобождающихся при дегидрировании, отщеплении боковых групп и разрушении части гетероциклов. Этот процесс сопровождается интенсивным выделением водорода, увеличением скорости усадки материала и выделением тепла.

Большое влияние на качество кокса оказывают условия подготовки угольной шихты(гранулометрический состав, насыпная плотность, влажность и др.), поэтому правильный выбор этих условий возможен лишь на основе данных теории процесса коксования.

Главные закономерности полупромышленного коксования обусловлены возникновением в коксуемой массе нестационарного температурного поля и подвижных пластических слоев[3]. Поэтому, технический и технологический прогресс в области коксования углей, может быть, достигнут лишь на основе глубоко разработанной теории термической их обработки обобщающий опыт научных и практических исследований.

В этой связи изыскание возможностей увеличения объемов производства, повышения качества сортового топлива с неуклонным расширением сырьевой базы коксования путем совершенствования существующей технологии и создания новых высокоинтенсивных методов термической переработки углей остается актуальной задачей.

Сырьевая база. Южный Кыргызстан располагает большими запасами каменных углей необходимых для организации производства кокса в промышленных масштабах. Наиболее доступным месторождением для этих целей является Узгенский каменноугольный бассейн располагающиеся разведанными запасами каменного угля в объеме 1,3 млрд. тонн[1]. При этом Узгенский бассейн на современной стадии изученности следует рассматривать, как один из крупнейших в Центральной Азии сырьевых источников коксующихся углей, которые могут найти широкое применение в перспективе в народном хозяйстве Кыргызской Республики для получения наряду с коксом ценных химических веществ, в том числе моторного топлива и горючих газов.

Узгенский бассейн объединяет ряд месторождений каменного угля, которые размещены в области стыка Ферганского и Алайского хребтов Тянь-Шаня. Административно данный угольный бассейн относится к Узгенскому и Сузакскому районам Ошской и Джалалабадской области. Площадь бассейна составляет порядка 3000 км², при протяженности угленосных отложений с севера-запада на юго-восток по ширине 45 км.

По геолого-тектоническим признакам в Узгенском бассейне можно выделить три угленосные районы: Кок-Кия – Яссинский, Кок-Янгакский, Алдиярский.

Кок-Кия – Яссинский угленосный район, находится в восточной части Ферганского хребта и является самым крупным в бассейне.

Кок-Янгакский угеносный район в административном отношении принадлежит Сузакскому району.

Альдыярский угленосный район находится в горах Альдыяр, на правобережье реки Куршаб ( общая площадь 40 км² ).

Глава I.

ТЕРМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ТВЕРДЫХ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ

В производстве синтетических жидких и газообразных топлив из твердых горючих ископаемых используется ряд методов высокотемпературной переработки последних без доступа воздуха (пиролиз)[2-7] или в присутствии окислителей (газификация)[2,5]. Эти варианты позволяют получать жидкие фракции (смолы) и газовые смеси, путем разделения и очистки которых можно получить товарные продукты либо использовать их в качестве сырья для синтеза моторных топлив и органических продуктов. В настоящей главе рассматриваются теоретические основы и технологическое оформление указанных процессов[2-7].

1.1. Коксование твердых топлив

Коксованием называется метод термической переработки преимущественно каменных углей, заключающийся в их нагревании без доступа воздуха до 1000—1100°С, в результате чего топливо разлагается с образованием летучих продуктов и твердого остатка — кокса[2-5].

Целевым продуктом этого процесса является кокс, используемый главным образом в металлургической промышленности. По этой причине установки по производству кокса (коксовые батареи) часто включают в состав металлургических заводов, а для обогрева коксовых печей применяют низкокалорийный доменный газ, получаемый в качестве побочного продукта в доменном процессе. Расход кокса достигает 0,8 т на 1 т чугуна. В этом процессе кокс выполняет функцию топлива и одновременно является источником оксида углерода, который восстанавливает железо из руды. Наряду с этим кокс можно использовать в качестве генераторного топлива для.

Кокс характеризуется следующими основными показателями: истинная плотность 1800—1950 кг/м³, насыпная плотность 400—500 кг/м³, пористость 49—53%, выход летучих (на горючую массу) 0,7—1,2%, содержание углерода не менее 96,5%, влажность не более 5%, зольность 10—11%, содержание серы 1—2%, теплота сгорания 32 000 кДж/кг.

Наряду с коксом, выход которого составляет 70—80%, образуются летучие продукты. При их охлаждении и разделении получают надсмольную аммиачную воду (или сульфат аммония), смолу, обогащенную ароматическими углеводородами, и высококалорийный топливный газ.

В качестве примера ниже приведём материальный баланс коксования (в %) одного из видов углей. Количество сухой угольной шихты (приход) 100,0[4,5].

№ п/п	Наименование продуктов (выход)	Содержание, в %
1	кокс сухой	78,0
2	бензол	1,0
3	аммиак	0,3
4	коксовый газ сухой	16,0
5	пирогенетическая влага	1,2
Итого:		100,0

Большие масштабы металлургической промышленности и соответствующие мощности по выработке кокса, обуславливают получение значительных количеств побочных продуктов коксования, исчисляемых сотнями тысяч тонн в год. Вследствие этого приблизительно до середины XXв. коксохимия была основным поставщиком сырья для крупнотоннажного тяжелого и тонкого органического синтеза. В настоящее время коксохимия в этом отношении заметно уступает нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, но, тем не менее, вклад коксохимических продуктов в сырьевую базу производства пластмасс, химических волокон, синтетических каучуков, красителей и других продуктов достаточно велик.

Следует подчеркнуть, что полукоксование и коксование — практически единственные процессы, позволяющие получать такое остродефицитное сырье, как крезолы, ксиленолы, резорцин и пирокатехин, производство которых на основе нефти пока не организовано в промышленных масштабах.

1.2. Теоретические основы процесса коксования

При нагревании без доступа воздуха любые твердые топлива претерпевают примерно одни и те же изменения. Для молодых топлив с низкой степенью углефикации (торф, бурые угли) наибольшие превращения протекают при температурах ниже 550—600°С, поэтому они подвергаются только полукоксованию. Каменный уголь направляют на высокотемпературную переработку — коксование. Из-за более низкого содержания кислорода в каменных углях количества продуктов, выделяющиеся из них на начальной стадии процесса, меньше, чем из торфа или бурого угля. Кроме того, отличительной особенностью многих каменных углей является переход их органической массы в пластическое состояние при 350—450°С[4-6].

Коксование обычно осуществляют с внешним подводом тепла, поэтому все описываемые ниже процессы, начинаясь у стенок коксовой камеры, постепенно захватывают и зоны у ее центра. При нагревании угля до 200°С вначале происходит испарение влаги и удаление растворенных в угле газов, состоящих в основном из метана и азота За счет отщепления гидроксильных и карбоксильных групп в газовой фазе появляется некоторое количество оксида и диоксида углерода, а также пары пирогенетической воды. При последующем нагревании до 300°С разложение угольного вещества несколько интенсифицируется (о чем свидетельствует образование небольших количеств водорода и метана), однако существенной потери массы еще не наблюдается.

Температурный диапазон 350—450°С характеризуется изменением агрегатного состояния угля: из сыпучего он переходит в пластическое (тестоподобное) за счет того, что начинается выделение смолы. В результате термической деструкции органической массы спекающихся углей вначале образуется жидкая пленка на поверхности угольных частичек, которые как бы оплавляются. Затем происходит размягчение зерен, появляется пластический слой, толщина которого определяется свойствами угля и равна 15—30 мм Пластическая масса представляет собой сложную гетерогенную систему, состоящую из газообразной, жидкой и твердой фаз. Вначале она имеет высокую вязкость и достаточно хорошую газопроницаемость. По мере повышения температуры возрастает количество жидкой фазы, уменьшается вязкость пластической массы, а свободные промежутки между твердыми частицами сокращаются, в результате чего увеличивается сопротивление эвакуации газообразных продуктов. Вследствие этого возникает внутреннее давление, приводящее к вспучиванию среды.

При дальнейшем повышении температуры до 500—550°С происходит резкое уменьшение массы угля и бурное выделение газа и смолы. При этом одновременно протекают вторичные реакции термического разложения компонентов смолы, за счет которых конечные продукты обогащаются наиболее термически стабильными соединениями (водородом, метаном, ароматическими углеводородами). В результате реакций полимеризации и поликонденсации продуктов разложения происходит накопление твердой фазы в пластической массе, вновь возрастают ее вязкость и газопроницаемость, и начинает формироваться жесткая структура полукокса. Постепенно жидкая фаза исчезает, а твердый остаток представляет собой полукокс.

При последующем увеличении температуры до 900—1000°С протекают термохимические превращения в твердой фазе, соответствующие переходу полукоксовой структуры в коксовую. Твердый остаток уплотняется, увеличивается его прочность и уменьшается объем — происходит усадка. Благодаря этому «коксовый пирог» отделяется от стенок камеры, что облегчает его выгрузку.

Вследствие небольшой теплопроводности угольной шихты [от 0,75 до 0,8 Дж/(м·ч·К) или ~2·l0^-4 Вт/(м·К)] температура в центре камеры заметно ниже, чем у стенок[3,4]. Она выравнивается лишь через 13—14 ч. В соответствии с динамикой прогрева шихты в ней протекают описанные выше процессы. К концу коксования оба пластических слоя, перемещающиеся от стенок, соединяются в центре камеры, образуя шов, по которому «коксовый пирог» при выгрузке из печи распадается на две примерно равные части.

Большинство реакций вторичного превращения паров смолы происходит в подсводовом пространстве, над поверхностью раскаленного кокса. Оптимальные условия образования ценных побочных продуктов, получаемых при коксовании: температура 700—720°С, время пребывания паров смолы в подсводовом пространстве ~40 с.

К числу основных факторов, влияющих на выходы продуктов коксования, относятся свойства перерабатываемого угля. Однако, независимо от места добычи угля между содержанием в нем летучих и выходом продуктов коксования прослеживаются практически одни и те же зависимости. Что касается состава получаемого газа, то, увеличение количества летучих в угле приводит к нарастанию в газе концентраций метана, оксида углерода и олефинов, тогда как содержание водорода и азота снижается, а объемная доля диоксида углерода проходит через максимум, равный ~2% (об.) при выходе летучих из угля ~28%.

Сырьём для коксования служат специальные сорта каменных углей, способные спекаться. Однако ввиду дефицитности таких углей перед коксованием обычно составляют смесь углей разных сортов (шихту). Шихта, состоит из смеси углей различных марок в следующих примерных соотношениях: 20% газовые, 40% жирные, 20% коксовые и 20% отощенно-спекающиеся[3,4]. Основным свойством, определяющим пригодность шихты для коксования, является её способность образовывать при нагреве пластический слой достаточной толщины, вязкости и с требуемым ходом термического разложения. Поэтому учитываются следующие свойства отдельных технологических марок. Газовые угли характеризуются сравнительно небольшой толщиной пластического слоя, высоким выходом летучих и повышенной усадкой. Кокс из газовых углей обладает высокой реакционной способностью. Присутствие в шихте таких углей усиливает усадку «коксового пирога» и облегчает выдачу его из печи, а также увеличивает выход газа и химических продуктов коксования. При повышенном содержании газовых углей выход кокса уменьшается. Жирные угли являются главным компонентом шихты. Они обеспечивают ей хорошую спекаемость и придают коксу прочность. Однако при их повышенном содержании кокс получается трещиноватый и мелкокусковой. В процессе приготовления шихты для коксования угли подвергают обогащению для снижения их зольности до 5—7%, многократному дроблению и рассеиванию. В итоге получают однородную смесь, на 90—95% состоящую из частиц размером менее 3 мм

Еще одним фактором, влияющим на выходы и состав продуктов коксования, является температура. По мере увеличения конечной температуры коксования возрастает объем получаемого прямого газа, а его плотность и теплота сгорания уменьшаются. Это объясняется изменением состава газа, который обогащается водородом за счет уменьшения доли метана и более тяжелых углеводородов. Небольшое повышение концентрации оксида углерода недостаточно для компенсации уменьшения калорийности газа вследствие сокращения содержания метана и этилена. Тем не менее теплота сгорания коксового газа, полученного при любой из указанных температур, весьма велика, и он может быть использован как эффективное газообразное топливо.

Количество образующейся смолы при повышении конечной температуры кокса до 1085°С достигает максимума (37,8 кг/т), а затем начинает уменьшаться за счет вторичных процессов разложения ее компонентов Это отражается на плотности смолы, которая непрерывно возрастает, и фракционном составе. Последний характеризуется уменьшением количества легких фракций (за исключением ароматизированной фракции 230—270°С) и повышением доли пека. В смоле увеличивается содержание нафталина при некотором сокращении количества его гомологов, а также фенолов

Выход бензола и его гомологов (так называемого сырого бензола), извлекаемых из коксового газа, достигает максимума (~10,57 кг на 1 т угля) при температуре 1132°С, а содержание в газе сырого нафталина непрерывно возрастает от 0,2 до 0,5 г/м³ Количество аммиака, сероводорода и пирогенетической воды (конденсат) изменяется в небольших пределах при различных температурах коксования

Приведенные данные свидетельствуют о том, что газообразные и жидкие продукты, получаемые при коксовании, содержат большое число ценных компонентов, представляющих значительный интерес для осуществления на их основе многочисленных синтезов полимерных соединений, лакокрасочных материалов, химических средств защиты растений, лекарственных препаратов и т. д.

1.3.Аппаратурно-технологическое оформление процесса коксования

В настоящее время существует несколько разновидностей коксовых печей, различающихся некоторыми деталями в системе обогрева, хотя принцип работы и основные узлы остаются без изменений на протяжении многих десятилетий[3-5,7]. В печах любой конструкции коксование угольной шихты ведут в узкой камере из огнеупорного кирпича. Необходимое тепло подводят через боковые стенки камеры за счет сжигания газообразного топлива. Ввиду крайне низкой теплопроводности огнеупорных материалов и самой шихты процесс коксования требует длительного времени (12—14 ч) . Камера коксовой печи имеет следующие размеры высота 5—6 м, длина 15—16 м, ширина 420—450 мм с коксовой (Коксовой называют ту сторону печи, откуда выводят кокс, на противоположной стороне находится специальная машина (коксовыталкиватель), которая с помощью штанги выталкивает кокс из камеры) стороны и 370—400 мм с машинной. Камера выполняется расширяющейся от машинной стороны к коксовой для облегчения выдачи «коксового пирога».

Основными элементами коксовой печи являются: камеры коксования, обогревательные простенки, расположенные по обе стороны каждой камеры и разделенные вертикальными перегородками на отопительные каналы (вертикалы), в которых происходит горение топливного газа; система каналов, обеспечивающих подачу воздуха и топливного газа в горелки; регенераторы для нагревания воздуха и топливного газа. В качестве топлива чаще всего используется обратный коксовый газ (выводимый из системы очистки и разделения и содержащий в основном водород и метан). Этот газ подают в коллектор (корнюр), а из него распределяют по горелкам каждого вертикала. В последнее время для отопления коксовых печей применяют также низкокалорийный доменный газ. В этом случае его, как и воздух, предварительно подогревают в регенераторах.

В своде каждой коксовой камеры имеются отверстия для загрузки шихты и вывода летучих продуктов коксования. По обе стороны коксовой камеры располагаются обогревательные простенки шириной 700—760 мм, разделенные перегородками на вертикалы, представляющие собой узкие колодцы. Число вертикалов в каждом простенке велико — около 30, чтобы обеспечить равномерный обогрев коксовой камеры. В каждом вертикале имеется регулируемая горелка, в которую подают отопительный газ и воздух. Последний предварительно подогревается, проходя через регенераторы, соединенные каналами (косыми ходами) с каждым вертикалом. Регенераторы заполнены огнеупорной фасонной насадкой, аккумулирующей тепло дымовых газов, а затем отдающей его нагреваемому воздуху. С помощью перекидных каналов, соединенных с горизонтальными каналами, обогревательные простенки попарно связаны друг с другом.

В вертикалах одного простенка происходит сгорание топливного газа. Образующиеся дымовые газы нагревают боковые стенки соседних коксовых камер, затем газы через горизонтальные и перекидные каналы попадают в вертикалы второго простенка, где тоже нагревают боковые стенки коксовых камер, а потом по косым ходам направляются в регенераторы, нагревают насадку и через газоходы выводятся в дымовую трубу. Для равномерного обогрева коксовых камер через каждые 20—30 мин проводится кантовка — изменение направления подачи отопительного газа, воздуха и отбора дымовых газов.

Современные коксовые печи объединяют в батареи по 50—60 камер; две-три батареи образуют блок коксовых печей, обслуживаемый одним комплектом машин и механизмов. Эти машины могут перемещаться вдоль батареи, обслуживая каждую коксовую камеру.

Машины и механизмы, обслуживающие коксовую батарею, выполняют следующие операции. Углезагрузочный вагон, перемещающийся с помощью электродвигателей по рельсам, уложенным над сводом коксовой батареи, имеет три бункера для шихты. По мере необходимости бункера заполняют шихтой (из угольной башни). При загрузке очередной коксовой камеры углезагрузочный вагон располагается над нею. С помощью специальных устройств открываются загрузочные люки камеры, находящиеся под каждым бункером, и шихта пересыпается в коксовую камеру. Углезагрузочный вагон оборудован также механизмами для очистки от отложений графита стояков, по которым из камеры отводится прямой коксовый газ. Очистка осуществляется при помощи специального ерша, подвешенного на цепи.

Коксовыталкиватель перемещается по рельсам, уложенным с машинной стороны коксовой батареи. Этот агрегат имеет механизм для открывания и закрывания дверей с машинной стороны и передвижную штангу, которая вводится в коксовую камеру и выталкивает готовый кокс наружу. Одновременно с выталкиванием кокса удаляются графитовые отложения с поверхности свода камеры сжатым воздухом, подаваемым в сопла, укрепленные на штанге коксовыталкивателя. Кроме того, на коксовыталкивателе имеется устройство—штанга прямоугольного сечения, предназначенная для разравнивания шихты после загрузки ее в коксовую камеру.

На коксовой стороне батареи находится двересъемная машина, предназначенная для открывания и закрывания дверей коксовых камер. Эта машина оборудована направляющей, по которой выгружаемый из печи кокс передается в коксотушильный вагон . Последний выполнен из жаропрочной стали и служит для транспортирования раскаленного кокса в тушильную башню, где его охлаждают путем орошения водой («мокрое тушение»). Охлажденный кокс опрокидывают на специальную рампу, откуда его направляют на сортировку и подают потребителям.

В комплект механизмов, обслуживающих коксовую батарею, входит также кантовочная лебедка, предназначенная для переключения подачи отопительного газа и воздуха в обогревательные простенки.

1.4. Улавливание продуктов коксования

Выводимый из коксовых печей прямой коксовый газ, состав которого приведен в табл.1.1., содержит большое количество ценных продуктов, подлежащих извлечению и последующей переработке. В частности, в 1 м³ прямого коксового газа присутствуют (в г)[2,4,5]:

Таблица 1.1.

Водяные пары (влага шихты и пирогенетическая вода)	250—450
Пары смолы	80—150
Ароматические углеводороды	30—40
Аммиак	8—13
Нафталин	До 10
Сероводород	6—40
Цианид водорода	0,5—2,5
Пиридиновые основания	0,4—0,6

Кроме перечисленных соединений в газе содержится небольшое количество сероуглерода, органических соединений серы, фенолов и некоторых других веществ.

Количества указанных продуктов сравнительно невелики, однако вследствие очень крупных масштабов коксохимических производств только в СССР на основе соединений, извлекаемых из коксового газа, вырабатывался более 200 видов продукции общим объемом около 6 млн. т в год для нужд химической промышленности, цветной металлургии, сельского хозяйства, строительной индустрии, железнодорожного транспорта и других отраслей народного хозяйства. Таким образом, коксохимия является важным источником сырья, и дальнейшее углубление переработки химических продуктов коксования представляет важную народнохозяйственную задачу.

Выходящий из коксовых печей газ при 650—750°С подвергают первичному охлаждению, осуществляемому в две ступени.

Вначале он охлаждается до 85—90°С путем впрыскивания воды на входе в газосборник, в котором собирается газ из всех печей коксовой батареи. В газосборнике охлаждение потока происходит за счет частичного испарения подаваемой воды, по­этому применяют воду, подогретую до 70—75°С, так как при использовании холодной воды ее испарение протекает менее интенсивно. В результате охлаждения газа конденсируется примерно половина содержащейся в нем смолы, причем в первую очередь высококипящие фракции. При этом из газа одновременно выделяются фусы — смесь угольной и коксовой пыли со смолой — в виде пастообразной массы.

Неиспарившаяся часть охлаждающей воды, впрыскиваемой в газосборник, абсорбирует из газа некоторое количество аммиака, сероводорода, диоксида углерода, цианида водорода с образованием солей аммония. Жидкую фазу (смола, фусы, вода) отделяют от газа в сепараторе и направляют в отстойник, откуда воду возвращают в газосборник (на первую ступень охлаждения коксового газа). Фусы выводят скребковым транспортером и направляют в углеподготовительный цех, где их используют как добавки к шихте, идущей на коксование. Смолу подают в конечный холодильник для извлечения нафталина.

Газ, имеющий температуру 80—90°С, направляют на вторую ступень первичного охлаждения в трубчатые теплообменники (или холодильники смешения), где его температура понижается до 25—35°С. В этих аппаратах происходит конденсация основного количества паров воды и смолы. В смоле растворяется некоторая часть содержащегося в газе нафталина, а в водном конденсате — аммиак, сероводород, диоксид углерода, цианид водорода, фенолы и некоторые другие соединения. В газе, отводимом из холодильников второй ступени охлаждения, содержится (в г/м³):

Водяные пары	26—30	Аммиак	7—11
Пары смолы	2—5	Нафталин	2—3
Ароматические углеводороды	32—36	Сероводород	16—26
Пиридиновые основания	0,4—0,6

При сравнении этих данных с содержанием примесей в прямом коксовом газе на выходе из печей видно, что в результате первичного охлаждения наиболее резко уменьшается количество водяных паров и смолы. Остающаяся смола находится в виде тумана. Чтобы избежать ее выделения в последующей аппаратуре, окончательную очистку газа от смолы осуществляют в электрофильтрах (обычно трубчатых), позволяющих обеспечить степень извлечения 98—99% при остаточном содержании смолы в газе 40—50 мг/м³.

Очищенный от смолы газ сжимается нагнетателем до избыточного давления 20—30 кПа, необходимого для транспортирования его через последующую аппаратуру. Следует отметить, что оборудование, находящееся до нагнетателя (по ходу газового потока), работает при небольшом разрежении (4—5 кПа), что обеспечивает полный отсос газа из коксовых печей.

Далее газ подогревают паром до 50—60°С и направляют на извлечение аммиака, осуществляемое путем взаимодействия его с серной кислотой (получаемый при этом сульфат аммония является удобрением). На эту же стадию подают аммиак, отгоняемый из воды, образующейся при первичном охлаждении коксового газа. Серная кислота одновременно связывает содержащиеся в газе пиридиновые основания в сульфат пиридина, из которого затем в отдельной установке выделяют пиридиновые основания.

Следующим этапом обработки коксового газа является его конечное охлаждение до 25-30°С с одновременным извлечением нафталина. Для этой цели используют холодильники смешения (насадочные скрубберы) с водяным орошением. При охлаждении газа происходят конденсация содержащихся в нем водяных паров и вымывание кристаллов нафталина, которые накапливаются в нижней части холодильника. Сюда же подают смолу, отделяемую на стадии первичного охлаждения газа; смола растворяет нафталин. После отстаивания смолу направляют на переработку, а газ — на извлечение бензольных углеводородов. Этот процесс осуществляют абсорбционно-десорбционным методом; в качестве поглотителя используют каменноугольное или соляровое масло.

Далее газ очищают от цианида водорода, обрабатывая его раствором полисульфида натрия (или аммония), в результате образуются соответствующие тиоцианиды. Последним этапом является извлечение сернистых соединений с получением свободной серы или серной кислоты. Очищенный коксовый газ, далее используется как топливо, а также в качестве сырья для синтеза аммиака.

ГлаваII.

Разработка теоретических основ технологии получения кокса на основе углей Узгенского угленосного бассейна

2.1. Кинетика термического разложения органических веществ

Рассмотрим кинетику термического разложения органических топлив угля. Для описания данного процесса в [2] использованы методы химической кинетики. При этом для изменения масс реагентов в ходе деструкции угля получено дифференциальное уравнение Аббеля второго рода.

Известно, что процесс термической деструкции протекает при непрерывном изменении физико-химических свойств исходного продукта. Изменение свойств перерабатываемого угля должно коррелироваться с количественными и качественными выходами продуктов пиролиза.

Рассматриваемый процесс описываем на основе метода теории вероятностей, поскольку термическое разложение угля является вероятностным процессом.

Вероятность термического разложения угля за время t₁обозначим . Тогда вероятность того, что за это время разложение не произойдет, равна 1-. Здесь - постоянная, характеризующая разложение угля в процессе термической обработки.

Определяем вероятность , за промежуток времени t в течение которого разложение угля не произойдет. Для этого весь интервал времени t разобьем на малые промежутки с длительностями t₁, t₂,…, tn. Тогда вероятность того, что за интервал времени t_i, разложение угля не произойдет, равна1-.

В этом случае вероятность за t₁, t₂,…, tn, равна

. (2.1)

Логарифмируя обе части равенства (3.1), получим:

.

Так как величина меньше единицы, правую часть уравнения разложим в ряд и ограничимся первым членом разложения:

,

Откуда . (2.2)

Таким образом, отношение неразложившихся за время tчастиц угля к первоначальному количеству угля выражается формулой (2.2) и подчиняется экспоненциальному закону. Левую часть уравнения (2.2) обозначим через ,

т.е. = . (2.3)

Тогда вероятность разложения частиц угля за время t равна

. (2.4)

Если общее количество частиц угля n, вероятность того, что из них разлагаются m частиц, а к = n-m не разлагаются, согласно соответствующему члену разложения по биному Ньютона , выражается формулой:

. (2.5)

Предположим, что вероятность числа разложения за интервал времени t – конечное число. Это число обозначим через b, т.е. b=.

Рассмотрим сначала множитель .

Д ля больших n множитель с учетом n= b при фиксированном m имеет вид:

b^m

Если величина то, при условии 0, и – I_eX_e> 0.

Применительно к процессам с неравномерным температурным полем потоки связаны между собой следующим образом:

I_i = L_ii X_i + L_ie X_e(2.19)

I_e = L_ei X_i + L_ee X_e (2.20)

Подставляя в (2.18) соотношения (2.19) и (2.20) получим для двухпотоковой системы: (2.21)

Умножим числитель и знаменатель в (2.21) на . Тогда выражение (2.21) примет вид: , (2.22)

где и – управляющие параметры; – параметр порядка. Значения и лежат в пределах:

, тогда .

То есть коэффициент эффективности теплового разложения веществ для разной степени взаимодействия тепловых потоков, кроме , принимает максимальное значение только для фиксированного значения .

Из условия экстремума функции следует, что максимальное значение при заданном значении равно:

(2.23)

С другой стороны для любой физической эволюцирующей неравновесной открытой системы скорость изменения энтропии: .

Для такой открытой термодинамической системы функция Р может быть представлена в виде суммы

,

где и , тогда . (2.24)

первая из которых определяет скорость изменения производства энтропии, обусловленную изменением термодинамических сил, а вторая обусловлена изменением потоков.

Тогда для рассматриваемой неравновесной системы с подводом и отводом тепла скорость изменения производства энтропии можно записать:

, (2.25)

. (2.26)

Согласно теории дифференциальных уравнений, если некоторая положительная функция F(y) обладает свойством

, (2.27)

то F(y_i) называется энергетической (потенциальной) функцией.

Тогда введя соответствующие обозначения:

из уравнения (1.12) получим

(2.28)

Для открытой системы, аналогичным образом имеем

(2.29)

Здесь первый член в правой части характеризует обмен системы с внешней средой (р^е), а второй – производство энтропии внутри системы (pⁱ).

Особенность уравнения (2.29) состоит в том, что оно позволяет связать в одном дифференциальном уравнении энергетическую (потенциальную) функцию F, внешние и внутренние потоки и силы, налагая определенные требования на знаки этих параметров.

Подставив в уравнение (2.29), (2.19) и (2.20) для потоков получим:

(2.30)

Первый член в правой части описывает входные параметры системы, второй – выходные, а третий – взаимодействие первого со вторым.

Перейдя к безразмерным переменным и х из уравнения (2.31) получим:

, (2.32)

где .

Таким образом, описание поведения рассматриваемой системы можно представить некоторой потенциальной функцией :

, (2.33)

В этом случае потенциал характеризует изменение энтропии в исследуемой открытой системе и показывает устойчивость разложения угля, путем минимизации потенциальной функции.

Теперь экспериментально рассмотрим процесс коксования угля с учетом теоретических исследований процесса разложения веществ с применением основных принципов теории синергетики.

2.3.Моделирование и программная реализация распространения тепла в различных средах

В настоящий момент, теория распространения тепла в различных пористых и фрактальных средах еще очень далека от построения количественной теории зависимости свойств от состава и структуры вещества.

Существующая теория основанная, на периодичность кристаллических решеток позволяет дать строгую классификацию твердых тел в зависимости от их теплотехнических характеристик и макроскопических свойств. Однако она позволяет классифицировать только известные, исследованные вещества и не позволяет предопределить особенности структур новых сложных веществ, которые возможно обладают комплексом неизвестных свойств.

Данная задача является особо важной для практики, так как ее решение позволило бы создавать материалы «по заказу» для каждого конкретного практического случая.

Возможным решением этой проблемы является фрактальный способ определения структуры вещества[9,10]. Определяя фрактальную размерность вещества, можно построить количественной теории зависимости свойств от состава и структуры вещества.

Процесс распространения тепла в различных средах будем рассматривать в круговом цилиндре радиусом R и высотой h, начальная температура которого равна , а поверхность и нижнее основание поддерживаются в течение процесса постоянной.

Задача, таким образом, сводится к решению уравнения теплопроводности [11,12]:

(2.34)при граничных условиях:

(2.35)и при начальном условии

В силу симметричности круглого цилиндра относительно оси z, для плоскости x, z, являющейся одним сечением круглого цилиндра (рис.1) уравнение теплопроводности можно написать в следующем виде:

(2.36)в области

с граничными и начальными условиями: (в области D)

(2.37)

Уравнение (2.36) заменяется на сетке разностной схемой или уравнением в конечных разностях. При этом краевые условия также заменяются разностными схемами. Тогда используя метод прогонки, получаем систему алгебраических уравнений в конечных разностях с числом неизвестных температур, равным числу узлов сетки (уравнений).

Для расчета температурного поля исследуемого цилиндрического образца радиусом 50см и высотой 100см, шаги по ширине и высоте принимались постоянными и равными 0,01см. А временный шаг принято равным 30с. Расчеты распространения теплового поля в рассматриваемой среде проводились на основе программы, составленной на языке Delphi 7. Теплопроводность плавленого кварца равна 80 Вт/м∙К, удельная теплоемкость 710 Дж/кг∙К и плотность 2300 кг/м³.

В начальный момент времени температурные значения в краях считали равными 100 К, температуру источника 3000 К, а внутри самого образца 200 К.

Изменение температурного поля вещества по времени рассмотрено тремя следующими методами.

1. Задались начальные и краевые условия. Дальнейшие развития (эволюция) системы строго зависели от начальных и краевых условий.

2. Эволюция системы зависела от случайных параметров (вероятностный метод).

3. Эволюция системы зависела от структуры системы. Под структурой, в данном случае, имеем в виду фрактальную структуру.

Первый метод справедлив для сплошных однородных сред, он не отражает реальную картину распространения тепла в конденсированной неоднородной среде.

Алгоритм решения вероятностного метода может быть следующим.

Задавались, как и в первом случае начальные и граничные условия. Потом организовался вспомогательный двумерный массив. Все его элементы первоначально зануляются. Затем программа просматривает все узлы решетки, обходя последовательно строки (столбцы), пока не переберет их полностью. Каждому элементу массива программа присваивает равномерно распределенное случайное число R∈[0,1]. Если R меньше первоначально выбранной вероятности Р, элементу массива присваивается 0, больше то 1. С помощью этого массива определяется массив значений коэффициента теплопроводности. В зависимости от того, ячейка занята или не занята, значение коэффициента теплопроводности может быть различным. При присваивании значения коэффициента теплопроводности k,i ячейке, учитывается влияние соседних ячеек k,i-1 иk,i+1 таким образом:

Так как элемент массива может принимать два значения (1 или 0), и всего рассматриваются 3 ячейки, то количество состояний равно 2³=8.

1	2	3	4	5	6	7	8
111	011	101	110	001	010	100	000

Исходим из того, что в первом случае, имеем максимальное значение коэффициента теплопроводности (идеальный случай, т.е. абсолютно однородное сплошное тело). В последнем случае, имеем минимальное значение коэффициента теплопроводности (вакуум- пустота). Применяя, при соответствующих процедурах, массив значений коэффициента теплопроводности, получим изменение температурного поля.

При учете фрактальности структуры вещества, алгоритм может быть следующим. Задаются, как и в первом и втором случаях начальные и граничные условия. Значения фрактальной функции присваиваются вспомогательному двумерно массиву. В данном случае использовалось квадратичное уравнение

когда f(x)=0 уравнение имеет два корня х₁=-0,618 и х₂=1,618. Приняв нижним пределом аргумента х₂=1,618 последовательно прибавляя аргументу dx=0,0001 определяли значения функции f(x₂)

Библиографическая ссылка

Ташполотов Ы. Разработка технологии коксования углей Узгенского бассейна // Научный электронный архив.
URL: http://econf.rae.ru/article/4724 (дата обращения: 22.11.2024).

Получить сертификат

Форма заказа сертификата

Ф.И.О.
Почтовый адрес
Телефон
Авторы
Название работы
E-mail