Способ повышения качества металлургического кокса

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к производству кокса с применением установки сухого тушения кокса (УСТК).

Основной задачей коксохимического производства (КХП) является получение качественного металлургического кокса с высокими показателями прочности, которые достигаются различными методами: на стадии подготовки угля к коксованию, в процессе коксования, тушения кокса и его обработки. Значительное повышение прочностных показателей достигается при применении технологии сухого тушения кокса.

Известны различные методы повышения качества кокса при применении сухого тушения. Известен способ сухого тушения кокса, когда в накопительную камеру горячего кокса, форкамеру УСТК подается смесь воздуха и низкотемпературный инертный газ для регулирования и стабилизации температуры кокса в этой камере [1] (Патент RU 2369627, МПК С10В 39/02. Опубл. 10.10.2009). При этом кислород вдуваемого воздуха реагирует с кусками кокса, загруженного в форкамеру, повышает его температуру. Достигаемый эффект термической выдержки кокса повышает его прочностные показатели.

Недостатками данного способа являются сложность распределения температур в форкамере, местные перегревы, потери кокса при его взаимодействии с кислородом.

Известен способ повышения качества кокса при сухом тушении, когда в УСТК применяется очищенный коксовый газ в качестве компонента охлаждающего агента [2] (Патент RU 2236436, МПК С10В 39/02. Опубл. 20.09.2004). При попадании этого газа в камеру тушения, заполненную горячим коксом, на поверхности последнего происходит термический распад метана и других углеводородов, содержащихся в коксовом газе, выделение водорода, образование сажистого углерода с его отложением на кусках кокса. При этом насыщение пор кокса сажистым углеродом изменяет его качественные показатели, снижает его реакционную способность, снижает скорость измельчения при использовании в доменном процессе.

Недостатком данного способа является эффект повышения взрывоопасности циркулирующего газа, насыщаемого выделяемым водородом при термическом разложении метана коксового газа на поверхности горячего кокса.

При этом не подтверждается эффект улучшения прочностных характеристик кокса.

Ближайшим аналогом (прототип) для заявленного способа является повышение качества кокса при применении сухого тушения, когда тушение кокса осуществляется пропусканием через слой кокса охлаждающего газа, являющегося продуктом взаимодействия кислорода воздуха и углерода кокса [3] (Патент RU 2448144, МПК С10В 39/02. Опубл. 20.04.2012). При данном способе получения кокса сухого тушения исключается дожигание СО в циркулирующем газе путем подачи воздуха в зону кольцевого канала камеры УСТК, а контур циркуляции охлаждающего агента: камера УСТК, пылеосадительный бункер, котел-утилизатор, циклоны, дутьевой вентилятор дополняется контуром рециркуляции, соединяющим верхнюю и нижнюю части камеры УСТК. По мнению авторов, предлагаемое техническое решение обеспечивает стабильный состав охлаждающего газа по содержанию горючих компонентов: СО 2-3%, Н₂ 1-1,5%, низкий показатель "угара" кокса на уровне 0,3-0,4%, что позволяет получать кокс сухого тушения с максимальными показателями механических и физико-химических свойств [4] (Сытенко И.В., Лобов А.А., Шрейдер С.А., Назаров В.В. - Влияние гидравлического режима работы форкамеры УСТК на качество кокса, Кокс и химия, №9, 1982, с. 19-20). Также в процессе выгрузки происходят обеспыливание и дегазация кокса, что также оказывает влияние на его свойства.

Недостатками известного способа являются следующие.

1. Через контур рециркуляции из разгрузочного устройства поступает значительное количество воздуха, что приводит к дополнительным потерям кокса.

2. В процессе эксплуатации УСТК появляются избыточные объемы теплоносителя, что увеличивает объемы сбрасываемого циркуляционного газа в атмосферу.

3. За счет сниженного содержания СО в циркуляционном газе, согласно реакции Будуара повышается содержание CO₂, что также обеспечивает дополнительные объемы взаимодействия углерода кокса по реакции

Основной задачей изобретения является совершенствование процесса сухого тушения кокса, позволяющего повысить прочностные и физико-химические свойства металлургического кокса, снизить количество сбрасываемого избыточного теплоносителя при эксплуатации УСТК.

Указанная задача достигается тем, что в известном способе сухого тушения поддерживается оптимальный состав циркулирующего охлаждающего агента с обеспечением содержания горючих компонентов СО 12-15%, Н₂ до 5%. При этом минимизируются отрицательные эффекты влияния циркулирующего газа на качественные показатели охлаждаемого кокса в УСТК.

В процессе тушения кокса в УСТК при многократной циркуляции газа через раскаленный кокс происходит его качественное и количественное изменение. При взаимодействии углерода кокса с циркуляционным газом происходят следующие химические реакции [4] (Сытенко И.В., Лобов А.А, Шрейдер С.А., Назаров В.В. - Влияние гидравлического режима работы форкамеры УСТК на качество кокса, Кокс и химия, №9, 1982, с. 19-20):

Особенно необходимо выделить последнюю (6) реакцию. Если первые четыре реакции (2-5) являются кратковременными и протекают при определенных условиях, то реакция восстановления двуокиси углерода до окиси углерода в зоне высоких температур кокса и в отсутствие кислорода идет в течение всей работы установки [5] (Теплитский М.Г., Гордон И.З. и др. Сухое тушение кокса, М.: Металлургия, 1971, с. 124-126). Углекислый газ реагирует на сильно развитой поверхности кокса, глубоко проникая внутрь куска, ослабляя его структуру, уменьшая толщину стенок пор и каналов материала кокса [4] (Сытенко И.В., Лобов А.А., Шрейдер С.А., Назаров В.В. - Влияние гидравлического режима работы форкамеры УСТК на качество кокса, Кокс и химия, №9, 1982, с. 19-20). Процесс восстановления двуокиси углерода зависит от состояния реагирующей поверхности. По мере разрыхления поверхности и увеличения пористости материала вблизи поверхности скорость реагирования возрастает. При этом скорость восстановления двуокиси углерода пропорциональна концентрации CO₂ в первой степени, зависит от температуры в зоне взаимодействия и времени соприкосновения кокса и CO₂ [5] (Теплитский М.Г., Гордон И.З. и др. Сухое тушение кокса, М.: Металлургия, 1971, с. 124-126).

При реализации способа улучшения качества получаемого кокса при применении известной УСТК предлагается отрегулировать и стабилизировать состав циркулирующего охлаждающего агента с обеспечением содержания горючих компонентов: СО 12-15%, Н₂ до 5%. Данный состав циркулирующего газа по содержанию горючих компонентов обеспечивает соблюдение норм безопасной эксплуатации УСТК согласно данным по равновесному состоянию содержания СО и CO₂ в газе по реакции

обеспечивает минимальное содержание CO₂ в охлаждающем агенте УСТК.

Техническим результатом настоящего изобретения является следующее.

1. Снижение количества избыточного теплоносителя за счет минимизации реакции взаимодействия кокса и CO_2.

2. Снижение "угара", потерь кокса при реализации сухого тушения кокса.

3. Улучшение механических и физико-химических свойств кокса при применении сухого тушения кокса.

Сопоставительный анализ заявляемого способа от прототипа позволяет сделать вывод, что заявляемый способ отличается тем, что в известной УСТК при применении в качестве охлаждающего агента циркуляционного газа, образующегося в результате реакции углерода кокса и кислорода воздуха, поддерживается содержание СО в пределах 12-15%, обеспечивающее минимальное содержание в нем CO₂. Таким образом, заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна».

Признаки, отличающие заявляемый способ от прототипа, не были выявлены в других технических решениях при изучении данной области техники, т.е. металлургии, и обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

Реализация предлагаемого способа поясняется схемой на чертеже, где 1 - камера тушения; 2 - форкамера; 3 - устройство для загрузки кокса; 4 - устройство для выгрузки кокса; 5 - пылеосадительный бункер; 6 - котел-утилизатор; 7 - циклоны (на схеме показан один); 8 - дутьевой вентилятор; 9 - система транспорта для отвода пыли; 10 - датчик; 11 - регулятор; 12 - свеча; 13 - пробоотбор для анализа состава газа.

В известной УСТК, содержащей последовательно соединенные в замкнутый контур камеру тушения 1 с форкамерой для накопления горячего кокса 2, укомплектованные устройствами для загрузки и выгрузки кокса 3, 4, пылеосадительный бункер 5, котел-утилизатор 6, циклоны 7, дутьевой вентилятор 8, циркулирует охлаждающий агент - газ, обеспечивающий охлаждение кокса, поступающего от коксовых батарей. Газ очищается от пыли в пылеосадительном бункере 5 и циклонах 7, последняя отводится через систему транспорта 9. Давление в форкамере определяется с помощью датчика 10 и поддерживается с помощью регулятора 11, установленного на свече 12, для отведения избыточного циркуляционного газа из контура охлаждающего агента.

Для осуществления контроля и регулирования состава циркулирующего охлаждающего агента осуществляется пробоотбор газа 13 для определения его состава.

Заявляемый способ улучшения качества кокса при применении сухого тушения осуществляется следующим образом. Через загрузочное устройство 3 в форкамеру 2 камеры сухого тушения кокса 1 загружается горячий кокс (температура 1000-1100°С). В процессе охлаждения и выгрузки кокса через разгрузочное устройство 4 кокс постепенно опускается вниз камеры тушения. При этом происходят теплообмен и химическое взаимодействие между циркулирующим газом и охлаждаемым коксом. Охлаждающий газ подается в камеру УСТК снизу, навстречу коксу с помощью дутьевого вентилятора 8. Охлаждающий газ, циркулирующий в газовом тракте УСТК, образуется в первоначальный период времени при взаимодействии углерода кокса с кислородом воздуха, находящегося в замкнутом контуре охлаждающего агента, и включает СО, CO₂, СН₄, Н₂, N₂. При многократной циркуляции охлаждающего газа через раскаленный кокс повышается содержание горючих компонентов: СО до 20-24%, Н₂ до 6-8%. С помощью газового анализа циркулирующего газа из отбора 13 определяется содержание горючих компонентов и принимаются меры по поддержанию содержания СО в пределах 12-15%, водорода до 5% в автоматическом или ручном режиме с помощью подачи воздуха или азота в верхний кольцевой канал камеры тушения кокса 1 (на схеме не показано).

На коксохимическом производстве ОАО «ЕВРАЗ НТМК» было проведено исследование по определению влияния состава циркулирующего газа на качество охлаждаемого кокса в УСТК. Блоки УСТК (камера-котел) №4 и №5 были предварительно выведены на одинаковые режимы тушения по производительности (50-54 т/час), с составами циркулирующего газа и представлены в табл. 1. В камере УСТК №4 поддерживался состав газа текущей эксплуатации, содержание СО 4-6%, в камере УСТК №5 газ с содержанием СО 12-15%. При этом для повышения достоверности сравнительного анализа кокс принимался в обозначенные камеры УСТК только с одной коксовой батареи №10 (печи полезным объемом 41,3 м³). Охлажденный кокс отбирался с транспортера К1 от разгрузочных устройств камер УСТК, подвергался исследованиям по контролируемым показателям. Результаты технического анализа показаны в таблицах: гранулометрический состав кокса, показатели механической прочности, показатели послереакционной прочности CSR и CRI приведены в табл. 2-5.

Пробы валового кокса были отобраны отдельно с каждой из этих двух камер в соответствии с ГОСТ 2669-81 «Кокс каменноугольный, пековый и термоантрацит. Правила приемки». Пробы в количестве 300 кг каждая были рассеяны в соответствии с ГОСТ 5954.1-94 «Ситовый анализ класса крупности 20 мм и более» и определена механическая прочность согласно ГОСТ 5953-93 «Кокс с размером кусков более 20 мм. Определение механической прочности». Проведен технический анализ, определение содержания массовой доли серы, показателей реакционной способности - CRI и послереакционной прочности кокса - CSR.

По результатам исследований можно сделать вывод, что состав циркулирующего газа по содержанию СО и CO₂ оказывает значительное влияние на содержание золы в металлургическом коксе, не влияет на показатель механической прочности металлургического кокса М₂₅, М₁₀, гранулометрический состав, изменяет показатели прочности кокса после взаимодействия с CO₂ - SCR, индекс реакционной способности CRI. Повышение прочностных показателей, снижение реакционной способности и зольности металлургического кокса при применении в качестве охлаждающего агента газа с содержанием горючих компонентов: СО 12-15%, Н₂ до 5% обеспечит снижение расхода кокса в доменном производстве, повысить производительность доменных печей.

Технико-экономическая эффективность от использования заявленного способа повышения качества кокса в УСТК позволяет:

1) снизить содержание золы металлургического кокса;

2) повысить показатель прочности металлургического кокса CSR, снизить показатель CRI;

3) обеспечить снижение расхода кокса в доменном производстве, повышение

производительности доменных печей, повышение эффективности вдувания

пылеугольного топлива;

4) снизить потери кокса (угар) в процессе тушения в УСТК;

5) снизить количество сбрасываемого избыточного циркуляционного газа при эксплуатации УСТК.