Оптимізація схеми підготовки вугілля до коксування

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 схеми підготовки вугільної шихти до коксування з точки зору визначення розмолоздатності вугільної шихти виходячи з розмолоздатності її компонентів. Об`єкт дослідження – процес оптимізації підготовки до коксування вугільної шихти, що характеризується різним значенням механічної міцності. Предмет дослідження – вугільні концентрати, вугільні шихти, що різняться значеннями розмолоздатності. Мета – на підставі виконання теоретичних та експериментальних досліджень вирішити важливе науково-практичне завдання, яке характеризується науковою новизною і має практичне значення – розроблення науково-технологічних основ оптимізації схеми підготовки шихти до коксування з погляду розмолоздатності її компонентів. В дисертаційній роботі вирішено важливе науково-практичне завдання, яке характеризується науковою новизною і має практичне значення, а саме – розробленно науково-технологічні основи оптимізації схеми підготовки вугілля до коксування – винайдені обґрунтовані методи прогнозу розрахунку коефіцієнту розмолоздатності вугільних шихт в залежності від розмолоздатності їх компонентів. В експериментальній частині роботи 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. Для визначення показника окиснення вугілля і шихт використовували ДСТУ 7611:2014 «Вугілля кам’яне. Метод визначення окиснення і ступеня окиснення». Насипну щільність вугілля визначали згідно ДСТУ 7123:2009, в апараті ДП «УХІН». Коефіцієнт розмолоздатності за Хардгровим визначали згідно ISO 5074:2015 (en) Hard Coal. Determination of Hardgrove grindability index, а коефіцієнт міцності – по методу Протод’яконова. 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 обґрунтовано актуальність теми. На підставі проведеного аналітичного огляду вітчизняних та світових джерел інформації, щодо існуючих найрозповсюджених методів визначення механічної міцності вугілля, встановлено, що цей показник залежить від великої кількості факторів (в'язкість, крихкість, тріщинуватість, властивості структурних зв'язків, тощо), врахувати зміну котрих неможливо. Зроблено висновок, що лабораторні методи механічних випробувань породних зразків, порівняно з натурними, з огляду на свою розробленість, здебільшого є доступними і високонадійними. Через те, що розкид міцності обумовлений в основному природною неоднорідністю вугілля, його міцність необхідно представляти деяким інтегральним показником, чисельне вираження котрого неминуче коливається біля певного середнього значення. Зважаючи на те, що у світі найрозповсюдженим методом оцінки механічних властивостей вугілля є метод визначення розмолоздатності по Хардгрову, і на те, що показник HGI пов'язаний з багатьма показниками якості вугілля (вологістю, зольністю, ступенем метаморфізму, елементним, петрографічним та мінеральним складами, окисненням) з метою подальшого інтегрування вітчизняної науки зі світовою, його доцільно використовувати для визначення механічної міцності вугілля. Можливе також використання інших методів, що добре корелюють з методом Хардгрова. У другому розділі охарактеризовано необхідний і достатній набір інструментальних, переважно, стандартизованих методів дослідження складу і властивостей вугілля та вугільних шихт. Визначені основні методи оцінки властивостей вугілля та вугільних шихт, використані в дисертаційній роботі, зокрема, визначення коефіцієнта розмолоздатності по Хардгрову та визначення коефіцієнта механічної міцності методом Протод’яконова. Третій розділ присвячено дослідженню взаємозв'язку складу, будови та властивостей вугілля різного типу з показником коефіцієнта розмолоздатності по Хардгрову, а також з показником коефіцієнта міцності за Протод’яконовим. Встановлено, що підвищення коефіцієнта розмолоздатності по Хардгрову викликане зростанням у вугіллі вмісту загального та ароматичного вуглецю, а також ступеня ненасиченості структури. Відповідно, збільшення виходу летких речовин, зниження показника вітриніту та температури займання неокисненого вугілля, викликане підвищенням вмісту аліфатичного вуглецю та зниженням ступеня ненасиченості структури ОМВ призводить до зниження величини коефіцієнта розмолоздатності по Хардгрову. В свою чергу, збільшення показника відбиття вітриніту та вмісту вуглецю, а також зниження виходу летких речовин, вмісту кисню та середнього діаметра частинок вугілля призводить до зниження величини коефіцієнта міцності вугілля за Протод’яконовим. Розраховано значення коефіцієнтів розмолоздатності по Хардгрову та коефіцієнтів міцності за Протод’яконовим неокисленого (відновленого) коксівного вугілля окремих марок та груп у рамках ДСТУ 3472:2015 «Вугілля кам'яне. Метод визначення окиснення та ступеня окиснення». Вперше встановлено зв'язок між коефіцієнтом міцності за методом Протод`яконова та коефіцієнтом розмолоздатності вугілля за методом Хардгрова. Показано, що вплив показників якості вугілля на коефіцієнт їх міцності за Протод`яконовим (f) значно нижчий (R2=0,550-0,716), ніж на коефіцієнт їх розмолоздатності за Хардгровим (HGI): R2=0,807-0,937. Показано, що коефіцієнт розмолоздатності Хардгрова та коефіцієнт міцності Протод’яконова задовільно класифікують вугілля за рівнем їхнього опору подрібнюючим зусиллям. Розроблено графічно-математичні залежності, що дозволяють прогнозувати розмолоздатність вугілля за методами Хардгрова (HGI) і Протод`яконова (f) на основі визначення показників його якості (R0, Vdaf, Cdaf, Odafd), що своєю чергою сприятиме оптимізації схеми підготовки вугілля до коксування. Встановлено, що значення показників HGI та f обернено пропорційні; розроблено математичну та графічну залежність їх прогнозу на основі значень одного з них. В четвертому розділі досліджували коефіцієнти розмолоздатності HGI бінарних вугільних сумішей, до складу яких входило вугілля різного ступеня метаморфізму у відсотковому співвідношенні, що змінюється. Було встановлено наявність систематичних відхилень фактичних значень коефіцієнтів розмолоздатності HGI сумішей за їхньої спільної підготовки від розрахованих за правилом адитивності. Також розроблені математичні залежності, що дають змогу за результатами визначення коефіцієнта розмолоздатності окремих вугільних компонентів прогнозувати величину HGI вугільної суміші. Визначено, що значення HGI бінарної вугільної суміші при роздільній підготовці вугільних компонентів перевищує розрахункове значення (у середньому на 3,6 од.), а при спільній підготовці – менше розрахункового значення (у середньому на 3,6 од.). Показано, що подрібнення вугілля за схемою ДШ потребує порівняно більших витрат енергії на дроблення порівняно зі схемою ДДК. У п’ятому розділі, зроблено прогноз розрахунку коефіцієнту розмолоздатності вугільних шихт. Що може бути використано з метою оптимізації схеми підготовки вугілля до коксування. Були визначені коефіцієнти розмолоздатності HGI вугільних шихт основних коксохімічних підприємств України. Встановлено наявність систематичних відхилень фактичних значень HGI вугільних шихт при їх сумісній підготовці від їх розрахункових значень в сторону зменшення коефіцієнта HGI до твердішого вугілля. Виявлена математична залежність, що дозволяє прогнозувати величину HGI вугільної шихти за даними коефіцієнтів розмолоздатності окремих її компонентів. Налаштування дробарки за запропонованим методом розрахунку коефіцієнту розмолоздатності вугільної шихти призводить до зниження на 1,8 % та на 2,0 % вмісту пилоподібних класів (<0,5 мм) порівняно відповідно з визначенням розмолоздатності шихти розрахованої за адитивністю або за формулою залежності HGI від Vdaf, що дозволяє оптимізувати схему підготовки шихти до коксування за цим показником. Показано, що оцінювання потужності дробарки на основі сформульованих принципів визначення розмолоздатності вугільних шихт відрізняється в середньому в 2,2 рази точнішими значеннями відхилень від значень, визначеними за адитивністю та в 3,4 рази точнішими значеннями відхилень від значень, визначеними за формулою залежності HGI від Vdaf. Встановлено, що практичне використання отриманих результатів дає можливість внаслідок суттєвого підвищення точності оцінювання потужності дробарки зекономити від 9151597 до 18909142 грн. на рік. Для виробництва 1 млн т валового коксу ця економія становитиме від 2,73 до 5,64 млн. грн.Dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in specialty 161 – chemical technologies and engineering (16 – chemical ineering 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 scheme of preparation of coal charge for coking from the point of view of determining grinding ability of the coal charge based on the grinding ability of its components. The object of study – is the process of optimization of preparing coal charge for coking, which is characterized by different values of mechanical strength. The subject of research – is coal concentrates, coal charges, which differ in the values of the coefficient of grinding ability capacity. 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 - the development of scientific and technological principles for optimizing the scheme of preparation of the charge for coking from the point of view of the grindability of its components. In the dissertation work, an important scientific and practical task was solved, which is characterized by scientific novelty and has practical significance, namely, scientific and technological principles of optimization of the coal preparation scheme for coking were developed, and reasonable methods of forecasting the calculation of the coefficient of crushing ability of coal charges depending on the pulverability of their components were invented. 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 ultimate (Cdaf, Hdaf, Ndaf, Sdt, Odaf) analyzes. To determine the oxidation rate of coal and charges used DSTU 7611:2014 "Hard coal. The method of determining oxidation and the degree of oxidation". The bulk density of coal was determined in accordance with DSTU 7123:2009, in the apparatus of SE "UKHIN". The the coefficient of grindability according to Hardgrove was determined according to ISO 5074:2015 (en) Hard Coal. Determination of Hardgrove grindability index and the strength coefficient - according to the Protodyakonov method. The statistical analysis of the obtained results and the development of mathematical equations 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, determines the personal contribution of the applicant, and the approbation of the work results is noted. The relevance of the topic is substantiated in the first section. On the basis of an analytical review of domestic and international sources of information regarding the existing most common methods of determining the mechanical strength of coal, it was established that this indicator depends on a large number of factors (viscosity, brittleness, cracking, properties of structural bonds, etc.), taking into account the change which is impossible. It was concluded that laboratory methods of mechanical testing of rock samples, compared to natural methods, given their development, are mostly available and highly reliable. Due to the fact that the spread of strength is caused mainly by the natural heterogeneity of coal, its strength must be represented by some integral index, the numerical expression of which inevitably fluctuates around a certain average value. Considering the fact that the most common method of evaluating the mechanical properties of coal is the Hardgrove method of determining the crushing capacity, and that the HGI indicator is related to many indicators of coal quality (moisture, ash content, degree of metamorphism, elemental, petrographic and mineral compositions, oxidation) with the aim of further integration of domestic science with world science, it is expedient to use it to determine the mechanical strength of coal. It is also possible to use other methods that correlate well with the Hardgrove method. In the second section, 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 Hardgrove grindability index and the determination of the coefficient of mechanical strength by the Protodiakonov method. The third section is devoted to the study of the relationship between the compound, structure and properties of different types of coal with the Hardgrove grindability index, as well as with the strength coefficient according to Protodiakonov. It has been established that the increase in the Hardgrove grindability index is caused by an increase in the content of total and aromatic carbon in coal, as well as the degree of structural unsaturation. Accordingly, an increase in the yield of volatile substances, a decrease in the vitrinite index and the ignition temperature of unoxidized coal, caused by an increase in the content of aliphatic carbon and a decrease in the degree of unsaturation of the organic matter of coal structure leads to a decrease in the value of the Hardgrove grindability index. In turn the increase in the reflectance of the showcase and the carbon content, as well as the decrease in the release of volatile substances, the oxygen content, and the average diameter of the coal particles leads to decrease in the value of the coal strength coefficient according to Protodiakonov. Calculated The values the Hardgrove grindability indexes and the coefficients of strength for Protodiakonov non-oxidized (reduced) coking coal of individual brands and groups within the framework of DSTU 3472:2015 "Hard coal. The method of determining oxidation and the degree of oxidation". For the first time, the relationship between the strength coefficient according to the Protoyakonov method and the grindability index according to the Hardgrove method was established. It is shown that the influence of coal quality indicators on their strength coefficient according to Protodiakonov (f) is significantly lower (R2=0.550-0.716) than on their Hardgrove grindability index (HGI): R2=0.807-0.937. It is shown that Hardgrove grindability index and Protodyakonov's strength coefficient satisfactorily classify coal according to the level of their resistance to crushing forces. Graphical-mathematical relationships have been developed that allow predicting the grindability of coal using the Hardgrove (HGI) and Protodyakonov (f) methods based on the determination of its quality indicators (R0, Vdaf, Cdaf, Oddaf) which in turn will contribute to the optimization of the general scheme of coal preparation for coking. It was established that the values of the HGI and f indicators are inversely proportional; a mathematical and graphical dependence of their forecast based on the values of one of them was developed. In the fourth section, we studied the grindability coefficients HGI of binary coal mixtures, which included coal of different degrees of metamorphism in a changing percentage ratio. It was established the presence of systematic deviations of the actual values of the coefficients of crushing ability of HGI mixtures during their joint preparation from those calculated according to the rule of additivity. Mathematical dependencies have also been developed, which make it possible to predict the value of the HGI of the coal mixture based on the results of determining the grindability coefficient of individual coal components. It was determined that the HGI value of the binary coal mixture during separate preparation of the coal components exceeds the calculated value (on average by 3.6 units), and when combined preparation is less than the calculated value (on average by 3.6 units). It is shown that crushing coal according to the Crushing of the Charge scheme requires relatively higher energy costs for crushing compared to the Differential Crushing of Components scheme. In the fifth section, in order to optimize the coal preparation scheme for coking, a forecast for the calculation of the grindability index of coal charges is made. The Hardgrove grindability indexes HGI of coal charges of the main coke chemical enterprises of Ukraine were determined. The presence of systematic deviations of the actual HGI values of coal charges during their joint preparation from their calculated values in the direction of a decrease in the HGI coefficient for harder coal was established. A mathematical dependence has been revealed, which allows to predict the value of HGI of the coal charge based on the data of the coefficients of grindability of its individual components. Adjustment of the crusher according to the proposed method of calculating the coefficient of crushing ability of the coal charge leads to a decrease of 1.8% and 2.0% of the content of dust-like classes (<0.5 mm) compared, respectively, to the determination of the crushing ability of the charge calculated by additivity or by the formula of the dependence of HGI on Vdaf , which makes it possible to optimize the charge preparation scheme for coking according to this indicator. It is shown that the evaluation of crusher power based on the formulated principles for determining the crushing capacity of coal charges differs on average by 2.2 times more accurate values of deviations from the values determined by additivity and by 3.4 times more accurate values of deviations from the values determined by the formula for the dependence of HGI on Vdaf. It was established that the practical use of the obtained results makes it possible to save from 9151597 to 18909142 hryvnias as a result of a significant increase in the accuracy of the assessment of the capacity of the crusher. for a year. For the production of 1 million tons of gross coke, this saving will be from UAH 2.73 to 5.64 million.