Оптимізація виробництва доменного коксу за допомогою технології трамбування

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 – хімічні технології та інженерія (16 – хімічна інженерія та біоінженерія). Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, Харків, 2023. Дисертаційна робота спрямована на розвиток наукових основ і уявлень щодо оптимізації виробництва доменного коксу за допомогою технології трамбування. Об`єкт дослідження – оптимізація процесу підготовки та коксування трамбованих вугільних шихт. Предмет дослідження – вугільні концентрати, трамбовані вугільні шихти. Мета – на підставі виконання теоретичних та експериментальних досліджень вирішити важливе науково-практичне завдання, яке характеризується науковою новизною і має практичне значення, а саме – оптимізацію виробництва доменного коксу з трамбованих вугільних шихт, що характеризуються різним вмістом газового вугілля. 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, Odafd) аналізи. Для визначення показника окиснення вугілля і шихт використовували ДСТУ 7611:2014 «Вугілля кам’яне. Метод визначення окиснення і ступеня окиснення». Тиск розпирання вугілля та вугільних шихт визначали згідно ДСТУ 8724:2017 Вугілля кам’яне та шихти на його основі. Метод визначення тиску розпирання, який виникає під час коксування». Міцність трамбованого вугілля і вугільних шихт визначали на лабораторному обладнанні у ДП «УХІН» (м. Харків). Статистичний аналіз отриманих результатів і розробка математичних залежностей виконувалася за допомогою ліцензійної комп’ютерної програми Microsoft Excel. У вступі обґрунтована актуальність задач дослідження, показано зв’язок роботи з науковими темами, сформульована мета та основні задачі, наведено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, визначено особистий внесок здобувача, відзначена апробація результатів роботи. В першому розділі здійснений аналітичний огляд вітчизняних та світових джерел інформації, щодо використання технології трамбування при виробництві доменного коксу. Встановлено, що технологія трамбування вугільних сумішей для виробництва доменного коксу широко використовується у світі для використання низькометаморфізованого вугілля. Вугільна сировинна база коксохімвиробництва ПАТ «АрселорМіттал Кривий Ріг» останні п'ять років носить стійкий міжбасейновий характер з переважанням в ній імпортного вугілля. Протягом 2017–2021 років склад і показники якості вугільної шихти для виробництва коксу на к.б. № 1–4 практично не зазнали змін, в той час як у вугільній шихті для виробництва коксу на к.б. № 5, 6 відбувається зниження частки високолеткого вугілля з одночасним збільшенням вмісту середньолетких і низьколетких компонентів. Використання технології трамбування дозволяє отримувати доменний кокс більш високої якості. Зокрема, кокс, отриманий на к.б. № 5, 6 характеризується більш низькими значеннями зольності, вмісту загальної сірки та стирання (М10), при одночасно більш високих значеннях механічної міцності за показником подрібнюваності (М25) і післяреакційної міцності (CSR). Таким чином, доцільним є обґрунтування використання різної кількості малометаморфізованого (насамперед, газового вугілля) в вугільних шихтах для коксування, визначити вплив технологічних факторів на показники трамбування та якість доменного коксу, а також хімічних продуктів коксування. У другому розділі охарактеризовано необхідний і достатній набір інструментальних, переважно, стандартизованих методів дослідження складу і властивостей вугілля та вугільних шихт. Встановлені основні методи оцінки властивостей вугілля та вугільних шихт, використані в дисертаційній роботі, зокрема, визначення показника міцності трамбованого вугілля і вугільних шихт. Визначені основні методи оцінки властивостей трамбованого вугілля, а також визначення виходу коксу та основних хімічних продуктів коксування з трамбованих вугільних шихт. У третьому розділі наведені результати дослідження щодо оптимізації підготовки вугільної шихти до коксування в умовах комплексу коксових батарей №5, 6 КХВ ПАТ «АРСЕЛОРМІТТАЛ КРИВИЙ РІГ». Зокрема, наведені результати оцінки міцності трамбованого індивідуального вугілля та трамбованого вугілля в бінарних сумішах, які можуть використовуватися для оптимізації технології підготовки трамбованої вугільної шихти до коксування. Встановлено, що міцність трамбованого пирога (σзз) з подрібненого індивідуального вугілля, що входить в сировинну базу КХВ ПАТ «АРСЕЛОРМІТТАЛ КРИВИЙ РІГ», тісно пов'язана з вмістом класів <3 і <0,5 мм. Збільшення вмісту класів <3 і <0,5 мм призводить до зростання міцності трамбованого пирога. Використовуючи отримані математичні залежності можна оптимізувати міцність трамбованого пирога вугільних шихт за допомогою зміни вмісту класів <3 і <0,5 мм. Визначено, що фактичні значення σзз для бінарних вугільних сумішей є вище розрахованих. Зі збільшенням рівня помелу вугільних шихт з 90,1 до 92,2 % відбувається зростання величини показника σзз з 12,5 до 15,0 кПа, тобто на 10 %. Тобто, змінюючи ступінь подрібнення вугільної шихти можна оптимізувати міцність її трамбованого пирога. При збільшенні вологості шихти з 10,0 до 11,5 % міцність трамбованого пирога зростає. Збільшення вмісту вологи вище 12 % небажано через зниження міцності трамбованого вугільного пирога, а також збільшення витрат тепла на коксування, яке йде на випаровування вологи. Тобто, змінюючи вміст вологи у вугільної шихти, можна оптимізувати міцність її трамбованого пирога. У четвертому розділі в лабораторних умовах досліджували вплив вмісту газового вугілля у трамбованих вугільних шихтах на якість отриманого з них доменного коксу. Оптимізація вмісту газового вугілля в вугільних шихтах дозволить виробляти доменний кокс необхідної якості. Збільшення спікливості і коксівності вугільної шихти з вмістом газового вугілля ≤40 % призводить до поліпшення показників механічної міцності доменного коксу. Встановлено лінійну залежність між показниками CRI та CSR дослідного коксу, отриманого з вугільних шихт з вмістом газового вугілля 40 %. Максимальний вплив на показники механічної міцності коксу, отриманого з вугільних шихт, що характеризуються підвищеним (більше 40 %) вмістом газового вугілля, мають показники ступеня метаморфізму (Vdaf, R0) та тиску розпирання (P10). Встановлено можливість прогнозування показників механічної (П25, I10) та післяреакційної міцності (CSR), а також реакційної здатності (CRI) коксу, отриманого з вугільних шихт, що характеризуються підвищеним (більше 40 %) вмістом вугілля газової групи. За допомогою розроблених математичних залежностей зв’являється можливість оптимізувати якість виробляємого доменного коксу в умовах ПАТ «АРСЕЛОРМІТТАЛ КРИВИЙ РІГ». У п’ятому розділі експериментально досліджували вплив технології трамбування вугільних шихт на вихід з них хімічних продуктів коксування. Враховуючи можливе окиснення вугільної сировини, а також неможливість прогнозувати вихід аміаку та сірководню за величиною виходу летких речовин, розроблено математичні залежності, що описують вихід усіх основних хімічних продуктів коксування за даними елементного складу вихідних трамбованих вугільних шихт. З підвищенням вмісту газового вугілля (виходу летких речовин) у трамбованих вугільних шихтах знижується вихід коксу, а також підвищується вихід смоли, бензолу, вуглекислого газу, пірогенетичної вологи та коксового газу. Вихід основних хімічних продуктів коксування підпорядковується правилу адитивності і може бути розрахований загалом для підприємства з урахуванням показників якості та відсоткової участі насипних та трамбованих вугільних шихт. На підставі отриманих математичних залежностей можливо оптимізувати вихід хімічних продуктів коксування з вугільних шихт, за допомогою зміни їх марочного та компонентного складів.The dissertation on competition of a scientific degree of the doctor of philosophy on a specialty 161 – chemical technologies and engineering (16 – chemical engineering and bioengineering). National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute» Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2023. The dissertation work is aimed at the development of scientific foundations and ideas regarding the optimization of blast furnace coke production using stamping technology. The object of research is thе optimization of the process of preparation and coking of rammed coal charges. The subject of research is coal concentrates, rammed coal charges. The goal is to solve an important scientific and practical task based on theoretical and experimental research, which is characterized by scientific novelty and has practical significance, namely, determining the influence of gas coal content in coal charges for tamping on the quality of blast furnace coke, as well as the yield of chemical products of coking for optimization of the production of blast furnace coke from rammed coal charges characterized by different contents of gas coal. In the dissertation, an important scientific and practical task is solved, which is characterized by scientific novelty and has practical significance, namely, determining the influence of gas coal content in coal charges for tamping on the quality of blast furnace coke, as well as the yield of chemical products of coking. In the experimental part of the work, modern standardized methods for determining the properties of coal were used – sieving, technical (Wrt, Wa, Ad, Sdt, Vdaf), plastometric (x, y), petrographic (R0, Vt, Sv, I, L, reflectogram of vitrinite) and elemental (Сdaf, Hdaf, Ndaf, Sdt, Odafd) analyses. To determine the oxidation rate of coal and charges, DSTU 7611:2014 Hard coal. The method of determining oxidation and the degree of oxidation. The expansion pressure of coal and coal charges was determined according to DSTU 8724:2017 Hard coal and charges based on it. A method for determining the expansion pressure that occurs during coking. The strength of rammed coal and coal charges was determined on the laboratory equipment of the State Enterprise UKHIN (Kharkiv). The statistical analysis of the obtained results and the development of mathematical dependencies were carried out using the licensed computer program Microsoft Excel. In the introduction, the relevance of the research tasks is substantiated, the connection of the work with scientific topics is shown, the goal and main tasks are formulated, the scientific novelty and practical significance of the obtained results are given, the personal contribution of the recipient is determined, and the approbation of the work results is noted. In the first section, an analytical review of domestic and international sources of information on the use of tamping technology in the production of blast furnace coke is carried out. It has been established that the technology of tamping coal mixtures for the production of blast furnace coke is widely used in the world for the use of low metamorphosed coal. The coal raw material base of coke chemical production PJSC ArcelorMittal Kryvyi Rih» has had a stable cross-basin character for the last five years, with the predominance of coal from the Russian Federation, the United States, and Kazakhstan. During 2017–2021, the composition and quality indicators of the coal charge for the production of coke at K.B. Nos. 1–4 were practically unchanged, while in the coal charge for the production of coke at k.b. No. 5, 6 there is a decrease in the share of highly volatile coal with a simultaneous increase in the content of medium-volatile and low-volatile components. The use of tamping technology makes it possible to obtain blast furnace coke of higher quality. In particular, coke obtained at k.b. No. 5, 6 is characterized by lower values of ash content, total sulfur content and abrasion (М10), with simultaneously higher values of mechanical strength according to the index of crushing (М25) and post-reaction strength (CSR). It is necessary to substantiate the use of different amounts of low-metamorphosed (primarily, gas coal) in coal charges for coking, to determine the influence of technological factors on tamping indicators and the quality of blast furnace coke, as well as chemical products of coking. In the second chapter, a necessary and sufficient set of instrumental, mostly standardized methods of studying the composition and properties of coal and coal charges is characterized. The main methods of evaluating the properties of coal and coal charges, used in the dissertation work, are considered, in particular, the determination of the strength index of rammed coal and coal charges. The main methods of evaluating the properties of rammed coal, as well as determining the yield of coke and the main chemical products of coking from rammed coal charges are considered. In the third chapter, the results of the study of the preparation of coal charge for optimization of coking in the conditions of the complex of coke batteries No. 5, 6 of KHV PJSC «ARCELORMITTAL KRYVIY RIH» are given. In particular, the results of evaluating the strength of compacted individual coal and compacted coal in binary mixtures are given which can be used to optimize the technology of preparing rammed coal charge for coking. It was established that the density of the compacted cake (σзз) of crushed individual coal, which is included in the raw material base of KHV ArcelorMittal Kryvyi Rih PJSC, is closely related to the content of classes <3 and <0.5 mm. Using the obtained mathematical dependencies, it is possible to optimize the strength of the rammed cake of coal charges by changing the content of classes <3 and <0.5 mm. It was determined that the actual values of σзз for binary coal mixtures are higher than the calculated ones. With an increase in the grinding level of coal charges from 90.1 to 92.2%, there is an increase in the value of the σзз indicator from 12.5 to 15.0 kPa, i.e. by 10%. That is, by changing the degree of grinding of the coal charge, it is possible to optimize the strength of its rammed cake. When the moisture content of the charge increases from 10.0 to 11.5%, the strength of the rammed cake increases. That is, by changing the moisture content of the coal charge, you can optimize the strength of its rammed cake. In the fourth chapter, the influence of gas coal content in rammed coal charges on the quality of blast furnace coke obtained from them was investigated in laboratory conditions. Optimizing the content of gas coal in coal charges will allow the production of blast furnace coke of the required quality. A linear relationship between the CRI and CSR indicators of experimental coke obtained from coal charges with a gas group coal content of up to 40% was established. The indicators of the degree of metamorphism (Vdaf, R0) and bursting pressure (P10) have the maximum influence on the indicators of the mechanical strength of coke obtained from coal charges characterized by an increased (more than 40%) content of gas group coal. The possibility of predicting indicators of mechanical (P25, I10) and post-reaction strength (CSR), as well as reactivity (CRI) of coke obtained from coal charges characterized by an increased (more than 40%) content of gas group coal has been established. With the help of the developed mathematical dependencies, it becomes possible to optimize the quality of the produced blast furnace coke under the conditions of PJSC "ARCELORMITTAL KRYVIY RIH". In the fifth chapter, the impact of the technology of tamping coal charges on the release of chemical coking products from them was experimentally investigated. Taking into account the possible oxidation of coal raw materials, as well as the impossibility of predicting the yield of ammonia and hydrogen sulfide based on the volatile matter, mathematical dependencies have been developed that describe the yield of all the main chemical products of coking based on the elemental composition of the initial rammed coal charges. With an increase in gas coal content (volatile matter) in rammed coal charges, the yield of coke decreases, as well as the yield of tar, benzene, carbon dioxide, pyrogenetic moisture and coke gas increases. The yield of the main chemical products of coking is subject to the rule of additivity and can be calculated in general for the enterprise taking into account the quality indicators and the percentage participation of bulk and rammed coal charges. Based on the obtained mathematical dependencies, it is possible to optimize the output of chemical coking products from coal charges by changing their grade and component compositions.