161 "Хімічні технології та інженерія"
Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/48416
Переглянути
Документ Вплив сировинних та технологічних факторів на теплоту згоряння коксу(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Мирошниченко, Ігор ВолодимировичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 – хімічні технології та інженерія (16 – хімічна та біоінженерія). Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" Міністерство освіти і науки України, Харків, 2021. Дисертаційна робота направлена на розвиток наукових основ і уявлень щодо впливу комплексу факторів виробництва коксу на величину його теплоти згоряння. Об`єкт дослідження – процес формування теплоти згоряння доменного коксу під впливом сировинних та технологічних факторів його виробництва. Предмет дослідження – вугільні концентрати, вугільні шихти, доменний кокс, схема підготовки та умови коксування вугільних шихт, післяпічна обробка доменного коксу. У дисертаційній роботі на підставі розвитку наукових уявлень щодо впливу сировинних та технологічних факторів виробництва коксу на величину його найвищої теплоти згоряння вирішено важливе науково-технічне завдання, яке характеризується науковою новизною і має практичну цінність, а саме – розроблено науково-обґрунтовані рекомендації щодо керування величиною найвищої теплоти згоряння коксу. Дослідження здійснені за допомогою теоретичних та емпіричних методів досліджень. Серед теоретичних методів застосовувався системний аналіз і синтез, узагальнення, формалізація, класифікація, аналогія. В експериментальній частині роботі використані сучасні стандартизовані методи визначення властивостей вугілля – ситовий, технічний (Wrt, Wa, Ad, Sdt, Vdaf), пластометричний (х, у), петрографічний (R0, Vt, Sv, I, L, рефлектограма вітриніту) і елементний (Сdaf, Hdaf, Ndaf, Sdt, Odaf) аналізи. Крім того, визначали тиск розпирання та насипну густину вугілля та шихт. Для визначення показника окиснення вугілля і шихт використовували ДСТУ 7611:2014 "Вугілля кам’яне. Метод визначення окиснення і ступеня окиснення". Якість отриманого коксу оцінювали методами ситового, технічного аналізу (Wrt, Wa, Ad, Sdt, Vdaf), елементного (Сdaf, Hdaf, Ndaf, Sdt, Odaf) та калориметричного (Qdafs, Qri) аналізів, визначали його дійсну та уявну густину, поруватість, абразивну твердість за Гінзбуром та структурну міцність за Грязновим, мікроструктуру (співвідношення анізотропної і ізотропної текстури), реакційну здатність, а також механічну і післяреакційну міцність. Статистичний аналіз отриманих результатів і розробка математичних рівнянь виконувалася за допомогою ліцензійної комп’ютерної програми Microsoft Excel. У вступі обґрунтована актуальність задач дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульована мета та основні задача, наведено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, визначено особистий внесок здобувача, відзначена апробація результатів роботи. В першому розділі здійснений аналітичний огляд джерел інформації. Розглянута актуальність теми на рівні не тільки країни, а й закордонних шкіл. Встановлено, що виробництво чавуну має найбільший потенціал енергозбереження в чорній металургії, а процеси в доменних печах і в коксовому виробництві. Показано відсутність навіть факультативних вимог до величини теплоти згоряння виробленого українськими та іноземними підприємствами доменного коксу. Наявні рівняння для розрахунку теплоти згоряння рідкого і твердого палива не дозволяють з достатньою точністю прогнозувати теплоту згоряння доменного коксу. Через нестачу наукових результатів в області впливу сировинних і технологічних факторів виробництва коксу на величину його теплоти згоряння, в даний час відсутні технічно обґрунтовані технологічні прийоми її підвищення, що обумовлює необхідність проведення подальших досліджень в цьому напрямку. У другому розділі охарактеризовано необхідний і достатній набір інструментальних, переважно, стандартизованих методів дослідження складу і властивостей вугілля та коксу. Крім того, ретельно розглянуті основні методи оцінки властивостей вугілля та коксу, використані в дисертаційній роботі, зокрема найвищої теплоти згоряння на сухий беззольний стан згідно ДСТУ ISO 1928:2006 "Палива тверді мінеральні. Визначення найвищої теплоти згоряння методом спалювання в калориметричній бомбі та обчислення найнижчої теплоти згоряння", а також лабораторний метод визначення виходу та якості коксу в 5-кг печі конструкції ДП "УХІН". У третьому розділі досліджували вплив показників якості вугільної шихти на теплоту згоряння коксу. Встановлено, що максимальна величина найвищої теплоти згоряння доменного коксу досягається при коксуванні вугільних шихт (незалежно від величини їх насипної густини), що характеризуються наступним набором показників якості: R0=0,91–0,94 %; Vdaf=30,5–31,0 %; Cdaf=83,80–83,83 %; Hdaf=5,01–5,02 %; Od daf=8,42–8,45 %. Підвищення вмісту газового вугілля з 30 до 50 % призводе до підвищення теплоти згоряння доменного коксу з 32,56 до 32,88 МДж/кг при коксуванні навальної шихти та з 32,61 до 32,93 МДж/кг при коксуванні трамбованої шихти. Подальше зростання вмісту газового вугілля у шихті призводе до зниження теплоти згоряння коксу до 32,79 та 32,87 МДж/кг відповідно. У четвертому розділі досліджували вплив способу підготовки вугілля до коксування на теплоту згоряння коксу. Доведено, що при збільшенні термінів зберігання використовуваних для отримання доменного коксу вугільних концентратів відбувається зниження величин його дійсної та уявної густини, а також зростання поруватості. Крім того, відбувається підвищення вмісту менш впорядкованої ізотропної структури і, відповідно, зниження більш упорядкованої анізотропної структури коксу. Графічно та математично показано вплив цих показників на теплоту згоряння доменного коксу. Збільшення вмісту класу 0–3 мм у вугільній шихті з 77 до 83 % призводить до зниження вищої теплоти згоряння коксу з 32,24 до 32,20 МДж/кг, тобто збільшення вмісту класу 0–3 мм на 1 % призводить до зниження величини вищої теплоти згоряння коксу в середньому на 0,0067 МДж/кг. Збільшення насипної густини вугільних шихт, що характеризуються однаковим набором показників якості, з 800 до 1150 кг/м3, призводить до зростання найвищої теплоти згоряння доменного коксу на 0,05–0,12 МДж/кг. У п’ятому розділі досліджували вплив умов коксування та способу гасіння на теплоту згоряння коксу. Встановлено, що збільшення кінцевої температури коксування на 10 оС призводить до зниження величини теплоти згоряння коксу в середньому на 0,037 МДж/кг, а підвищення швидкості коксування на 1 мм/год підвищує величину теплоти згоряння коксу в середньому на 0,0493 МДж/кг. Максимальним рівнем найвищої теплоти згоряння незалежно від способу його гасіння, характеризується кокс крупністю більше 25 мм, а мінімальним – кокс крупністю менше 10 мм. Рівень "готовності" коксу, виражений величинами виходу летких речовин і дійсної густини, значно впливає на величину найвищої теплоти згорання. Менш «готовий» доменний кокс характеризується більшими значеннями найвищої теплоти згоряння його класів крупності. Використання сухого гасіння призводить до збільшення найвищої теплоти згоряння коксу, зокрема, збільшення частки коксу сухого гасіння на 1 % призводить до збільшення теплоти згоряння різних класів крупності коксу на 0,0056–0,0087 МДж/кг. Найбільшим рівнем значення найвищої теплоти згоряння характеризується коксовий пил УСГК – високопіролізованний матеріал з максимальним вмістом вуглецю, мінімальними зольністю, вмістом летких речовин і вмістом кисню. Значення найвищої теплоти згоряння доменного коксу може служити критерієм оцінки ступеня «готовності» доменного коксу (на додаток до вже наявних). У шостому розділі були розроблені рекомендації щодо підвищення теплоти згоряння коксу, а також виконана техніко-економічна оцінка роботи. Найвища теплота згоряння є, значною мірою, керованим технологічним показником якості коксу. Способи її підвищення повинні базуватися на оптимізації наступних значущих чинників: показники елементного та петрографічного складу, а також вихід летких речовин з шихти з урахуванням процесів окиснення, гранулометричний склад і насипна густина завантаження в камері коксування, рівень температур в опалювальній системі, швидкість, період і кінцева температура коксування, спосіб гасіння і розміри часток коксу. Розраховано, що підвищення теплоти згоряння коксу на 0,33 МДж/кг, внаслідок впровадження розроблених у дисертації рекомендацій, призведе до економії 1800 т коксу на 1 млн. т заліза, або 6,48 грн/т заліза.Документ Коксування вугільних шихт з підвищеним вмістом газового вугілля(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Фатенко, Сергій ВалентиновичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 – хімічні технології та інженерія (16 – хімічна та біоінженерія). Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Міністерство освіти і науки України, Харків, 2021. Дисертаційна робота направлена на розробку науково-обґрунтованих параметрів виробництва доменного коксу з вугільних шихт, що характеризуються підвищеним вмістом газового вугілля. Об’єкт дослідження – процес формування виходу та якості доменного коксу та хімічних продуктів коксування з вугільних шихт, що містять підвищений вміст газового вугілля. Предмет дослідження – вугільні концентрати, вугільні шихти з підвищеним вмістом газового вугілля, доменний кокс та хімічні продукти коксування. У дисертаційній роботі на підставі отриманих результатів виконаних лабораторних, дослідно-промислових та промислових досліджень вирішено важливе науково-технічне завдання, яке характеризується науковою новизною та має практичну цінність, а саме – розроблено науково-обґрунтовані параметри виробництва доменного коксу з вугільних шихт, що характеризуються підвищеним вмістом газового вугілля. Дослідження здійснені за допомогою теоретичних та емпіричних методів досліджень. Серед теоретичних методів застосовувався системний аналіз і синтез, узагальнення, формалізація, класифікація, аналогія. В експериментальній частині роботі використані сучасні стандартизовані методи визначення властивостей вугілля – ситовий, технічний (Wrt, Wa, Ad, Sdt, Vdaf), пластометричний (х, у), петрографічний (R0, Vt, Sv, I, L, рефлектограма вітриніту) і елементний (Сdaf, Hdaf, Ndaf, Sdt, Odaf) аналізи. Крім того, визначали тиск розпирання та насипну густину вугілля та шихт. Якість отриманого коксу оцінювали методами ситового, технічного (Wrt, Wa, Ad, Sdt, Vdaf) та елементного (Сdaf, Hdaf, Ndaf, Sdt, Odaf) аналізів, визначали його дійсну та уявну густину, поруватість, абразивну твердість за Гінзбургом та структурну міцність за Грязновим, мікроструктуру (співвідношення анізотропної і ізотропної текстури), реакційну здатність, а також механічну і післяреакційну міцність. Показники якості смоли кам’яновугільної визначали згідно ТУ У 19.1–00190443–100:2016, масову частку речовин, не розчинених у толуолі – згідно ДСТУ 8390–2015. Якість масла кам’яновугільного визначали згідно ТУ У 20.1–00190443–117:2017, ДСТУ 2265–93 та ДСТУ 2266–93. Статистичний аналіз отриманих результатів і розробка математичних рівнянь виконувалися за допомогою ліцензійної комп’ютерної програми Microsoft Excel. У вступі обґрунтовна актуальність задач дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульована мета та основні задачі, наведено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, визначено особистий внесок здобувача, відзначена апробація роботи. У першому розділі виконано аналіз щодо хіміко-технологічного використання газового вугілля. Структура використання вугілля в Україні, як і у більшості країн, не відповідає структурі їх запасів – малометаморфізоване вугілля знаходить обмежене застосування, тоді як воно переважає у запасах. Головною особливістю структури газового вугілля є велика довжина бічних ланцюгів у вугільній макромолекулі і підвищена кількість функціональних груп з гетероатомами, тому основною властивістю, що відрізняє це вугілля від середньо- і високометаморфізованого, є підвищена реакційна здатність. Це необхідно враховувати при визначенні технологій використання такого вугілля. Найбільші об'єми використання газового вугілля при виробництві коксу досягаються в результаті застосування нових технологій підготовки і коксування, наприклад, формованого коксу, термічної підготовки і трамбування. Газове вугілля є переважною сировиною для газифікації, напівкоксування і гідрогенізації, що дає можливість виробництва парогазових продуктів, альтернативних отримуваним при переробці природного газу і нафти. Найменш витратним є збільшення змісту газового вугілля в шихтах для коксування з традиційним гравітаційним завантаженням насипом. Проте в цьому випадку для забезпечення високих техніко-економічних показників потрібна розробка спеціальних технологічних рішень, в першу чергу спрямованих на забезпечення якості коксу, що випускається, відповідно до вимог споживачів. У другому розділі показано методологію дослідження. Визначено та встановлено необхідний і достатній набір інструментальних (стандартизованих) методів дослідження складу та властивостей вугілля і коксу. Ретельно розглянутий основний метод оцінки виходу та властивостей отриманого лабораторного коксу, використаний в дисертаційній роботі, а саме лабораторний метод визначення виходу та якості коксу в 5-кг печі конструкції ДП "УХІН". У третьому розділі наведені результати дослідження щодо удосконалення схеми підготовки вугільної шихти з різним вмістом газового вугілля. Встановлено, що вугільна сировинна база коксування КХВ ПрАТ "МК "АЗОВСТАЛЬ" характеризується наявністю вугілля різного ступеня метаморфізму, спікливості, крупності і розмолоздатності, що зумовлює необхідність використання прогресивних схем підготовки вугілля. Встановлено, що величини вмісту класу 0–3 мм та середнього діаметру частинок вугілля, яке входить до сировинної бази КХВ ПрАТ «МК «АЗОВСТАЛЬ», зумовлені ступенем метаморфізму та вмістом фюзенізованих компонентів. Розроблені математичні залежності, які дозволяють прогнозувати вміст класу 0–3 мм, а також середній діаметр частинок вугілля за даними його петрографічного аналізу. Проведені лабораторні коксування показали, що відсів дрібних класів (<6 мм) перед остаточним подрібненням вугільної шихти дозволить поліпшити механічну міцність одержуваного коксу за показниками П25 на 0,4–1,0 %, та І10 на 0,1–1,0 %, причому, чим більше в шихті міститься більш грубішого, в першу чергу, газового вугілля (в інтервалі від 15 до 35%), тим більший позитивний вплив відсіву дрібних класів на якість коксу. У четвертому розділі досліджено вплив вмісту пилоподібних класів вугільної шихти на властивості смоли кам’яновугільної. Виконані дослідження показали, що вугільний пил не тільки підвищує зольність товарної смоли, а й ініціює утворення сажеподібних частинок в підсклепінному просторі коксової камери, що сприяє підвищенню густини смоли і вмісту частинок, нерозчинних в хіноліні. Емульгуюча здатність сажоподібних частинок вища, ніж у мінеральних складових вугільних частинок. Для запобігання небажаній стабілізації емульсій, що утворюються у відділенні конденсації, та покращення зневоднення смоли у вугільній шихті необхідно обмежувати не лише вміст класу <0,2 мм, але і класу <0,075 мм рівнями 10 та 5 % відповідно. Погіршенню відстоювання смоли ще в більшій мірі сприяє винос частинок, які мають збалансованість гідрофобних і гідрофільних властивостей, що характерне для ступеня вуглефікації, відповідного марці "Ж". Зростання вмісту вологи у зневодненій смоли призводить до підвищення значення середнього довільного показника відбиття вітриніту, суми фюзенізованих компонентів, кількості деемульгатору та зниження тривалості відстоювання. З цієї точки зору підвищення вмісту у вугільних шихтах КХВ ПрАТ "МК "АЗОВСТАЛЬ" газового вугілля, що має менші у порівнянні з іншими марками значення середнього довільного показника відбитку вітриніту, практично не буде впливати на вміст вологи у зневодненій кам’яновугільній смолі. У п’ятому розділі наведені результати коксування вугільних шихт з підвищеним вмістом газового вугілля в умовах КХВ ПРАТ "МК "АЗОВСТАЛЬ". Лабораторними і дослідно-промисловими коксуваннями доведено, що збільшення частки газового вугілля в шихті для коксування з 25 до 35 % призводить до зниження виходу і якості доменного коксу за показниками механічної (М25, М10) і «гарячої» міцності. Зниження міцності коксу корелюється зі зниженням вмісту класу більше 80 мм і зростанням засміченості класом менше 25 мм. Крім того, відбувається збільшення виходу основних (смола, сирий бензол, аміак, сірководень, газ) хімічних продуктів коксування. За цих умов як компенсаційні заходи слід використовувати збільшення кінцевої температури коксування до рівня не менше 1050 оС та скорочення ривалості перебування печей з відчиненими дверима перед видачею коксу. За період проведення коксувань шихти з підвищеним вмістом газового вугілля порушень вогнетривкої кладки камер і налдишкового заграфічення не встановлено. Економічними розрахунками показано, що зниження собівартості чавуну за рахунок зниження заготівельної вартості вугільної шихти склало 8,4 $/т. Використання доменного коксу, отриманого з шихти з підвищеним вмістом газового вугілля, призводить до підвищення середньої питомої витрати скипового і металургійного коксу, а також коксового горішка. При цьому трохи знизилася концентрація кисню в дутті.