Вплив вологи вугільної шихти на її підготовку до коксування

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 – хімічні технології та інженерія (16 – хімічна та біоінженерія). Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, Харків, 2022. Дисертаційна робота спрямована на розвиток наукових основ і уявлень щодо впливу вмісту вологи на умови підготовки вугільної шихти до коксування. Об`єкт дослідження – процес підготовки до коксування вугільної шихти, що характеризується різним вмістом вологи. Предмет дослідження – вугільні концентрати, вугільні шихти, що містять різну кількість вологи. В дисертаційній роботі вирішено важливе науково-практичне завдання, яке характеризується науковою новизною і має практичне значення, а саме – визначені раціональні умови підготовки шихти до коксування в залежності від її вологості. 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. 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», а також у силосах дозувального відділення ПрАТ «ЗАПОРІЖКОКС». Автор приймав участь у розробленні, виготовленні та використанні унікального обладнання для визначення оптимальних кутів нахилу жолобів вугільного тракту шихтоподачі. 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 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, обгрунтована актуальність теми. Встановлено, що максимальна вологоємність залежить від природи вугілля, ступеня його метаморфізму, вираженого показниками виходу летких речовин, відбиття вітриніту, вмістом вуглецю і водню, а також величиною його теплоти згоряння. При переході від грубішого класу до дрібного максимальна вологоємність підвищується внаслідок зростання питомої поверхні вугілля. При цьому, максимальна вологоємність практично не залежить від ступеня окиснення і хімічного складу золи вугілля. Окиснення вугілля супроводжується зростанням загальної та аналітичної вологи в результаті фізичної і хімічної сорбції її на поверхні вугільних частинок. Підвищення вологості веде до зниження розмолоздатності вугілля, що ускладнює досягнення однорідності подрібнення і знижує плинність вугілля. Наявні дані, що підвищення вологості шихти призводить до деякого підвищення теплоти згоряння коксового газу. Однак підвищена вологість вугілля не лише збільшує витрату тепла, але і сприяє утворенню більш нерівномірного по крупності коксу, зниженню його механічної міцності і збільшенню пористості, а також призводить до зменшення терміну служби печей. У другому розділі охарактеризовано необхідний і достатній набір інструментальних, переважно, стандартизованих методів дослідження складу і властивостей вугілля та вугільних шихт. Розглянуті основні методи оцінки властивостей вугілля та вугільних шихт, використані в дисертаційній роботі, зокрема, визначення насипної щільності у апаратах різного об’єму. Розроблено, виготовлено, а також використане унікальне обладнання для визначення оптимальних кутів нахилу жолобів вугільного тракту шихтоподачі для вугільної шихти різної вологи, гранулометричного та компонентного складів при різному навантаженні. У третьому розділі визначали вплив вмісту вологи на насипну щільність вугільних концентратів та вугільних шихт. Встановлено, що при збільшенні вологості вугільних концентратів від 7,3 до 14,4 % їх насипна щільність зростає на 5,7–11,1 кг/м3 на 1 % збільшення вологості в залежності від способу її вимірювання (апарат ДП «УХІН» або силос дозувального відділення ВПЦ ПрАТ «ЗАПОРІЖКОКС»). Розроблено проект Інструкції з обліку залишків концентратів у силосах дозувального відділення і на відкритому складі вугілля вугелпідготовчого цеху ПРАТ «ЗАПОРІЖКОКС». Розроблено математичні та графічні залежності, що описують вплив збільшення вологості вугільних шихт КХВ ПрАТ «МК «АЗОВСТАЛЬ» і ПрАТ «ЗАПОРІЖКОКС» на вміст в них класу менше 0,5 мм, а також величин їх середнього діаметра і насипної щільності. Встановлено, що вугільні шихти характеризуються мінімальною насипною щільністью при вологості, рівній 7,1 %. Зниження або збільшення вологості вугільних шихт в інтервалі від 4 до 12 % призводить до зростання їх насипної щільності. При збільшенні вологості вугільних шихт до 12 % відбувається різке зниження вмісту в них класу менше 0,5 мм. Ця обставина має місце внаслідок огрудкування дрібних вугільних класів, що виражається в збільшенні величини їх середнього діаметра. У четвертому розділі досліджували зміну вологи під час розморожування та підготовки вугілля до коксування. Встановлено, що змерзання частинок починається при вмісті в них вологи, що перевищує значення максимальної вологоємності. У свою чергу, величина максимальної вологоємності залежить від ступеня метаморфізму і в діапазоні коксівного вугілля має максимальні значення у малометаморфізованого вугілля газової групи. З урахуванням того, що максимальними значеннями вологоємності характеризується малометаморфізоване вугілля газової групи, це вугілля може перебувати менший час в гаражі розморожування в порівнянні з іншим коксівним вугіллям. Зі зниженням температури ступінь змерзання вугілля збільшується з підвищенням його вологості і зниженням крупності частинок. Методами математичної статистики було отримано рівняння, що описує зміну маси вугілля при його розморожуванні в залежності від вмісту в ньому вологи, середнього діаметра його частинок і часу перебування в гаражі розморожування. Це рівняння дозволяє оцінити зниження маси вугілля в процесі розморожування в залежності від показників його якості та умов перебування в гаражі розморожування. Втрата вологи у вугільних концентратах при їх транспортуванні суттєво залежить від температури навколишнього середовища: чим вище температура, тим більше втрачається вологи, і навпаки. Встановлено, що розвантаження і транспортування вугілля з силосу закритого складу вугілля супроводжується втратою ~0,9 % вологи при температурі навколишнього середовища 23,5 ºС і ~0,2 % при температурі +4 °С. За подрібнення і транспортування вугільної шихти до вугільної башти коксової батареї, зміна її фактичної маси складає ~0,1 % при температурі навколишнього середовища, рівній +4 оС і 0,7 % при температурі навколишнього середовища, рівній + 23,5÷25,5 ºС. Практичне використання отриманих результатів дає можливість внаслідок зниження робочої вологості шихти зекономити коксовий газ для опалення коксових печей. Для виробництва 1 млн т валового коксу ця економія становитиме 3,841 млн м3 газу, або близько 59,8 млн грн. У п’ятому розділі досліджували вплив вологи на сипкість вугільної шихти у жолобах трактів шихтоподачі. Аналіз тимчасових норм технологічного проектування збагачувальних фабрик показав, що залежність між середнім діаметром вугілля в інтервалі від 0,5 до 75,0 мм і рекомендованими кутами нахилу жолобів носить логарифмічний характер. Показано, що збільшення вологості і зниження середнього діаметра вугілля призводить до зростання величин рекомендованих кутів нахилів жолобів, виготовлених зі Ст.3, незалежно від ступеня їх метаморфізму, а збільшення ступеня метаморфізму вугілля призводить до збільшення величин рекомендованих кутів нахилів жолобів незалежно від їх вологості. Показано, що збільшення вмісту вологи в шихті з 10 до 12 %, вмісту в ній частинок розміром 0–3 мм з 90 до 94 %, а також збільшення навантаження конвеєрів (з 250 до 350 т/год) однозначно призводить до збільшення тривалості руху шихти, тобто зниження швидкості її руху по конструкційному листу, аж до виникнення залипання.

The dissertation on competition of a scientific degree of the doctor of philosophy on a specialty 161 – chemical technologies and engineering (16 – chemical and bioengineering). National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute» Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2022. The dissertation is aimed at the development of scientific bases and ideas about the influence of moisture content on the conditions of preparation of coal charge for coking. The object of study – the process of preparation of the coal blends, characterized by different moisture content, for coking. The subject of research – coal concentrates, coal charges containing different moisture content. In the dissertation work the important scientific and practical task which is characterized by scientific novelty and has practical value is solved, namely - rational conditions of preparation of charge for coking depending on its humidity are defined. In the experimental part of the work used modern standardized methods for determining the properties of coal – sieve, proximate (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 of coal and charges used DSTU 7611:2014 «Coal. The method of determining the oxidation and the degree of oxidation». The bulk density of coal was determined according to DSTU 7123:2009, in the apparatus of SE «UKHIN», as well as in the silos of the dosing department of PJSC «ZAPORIZHKOKS». The author participated in the development, manufacture and use of unique equipment to determine the optimal angles of the gutters of the coal path of the charge feed. Statistical analysis of the results and development of mathematical equations was performed using a licensed computer program Microsoft Excel. The introduction substantiates the relevance of research objectives, shows the relationship of work with scientific topics, formulates the purpose and main objectives, presents the scientific novelty and practical significance of the results, determines the personal contribution of the applicant, noted the approbation of the results. In the first section the analytical review of domestic and world sources of information is carried out, the urgency of a theme is proved. It is established that the maximum moisture content depends on the nature of coal, the degree of its metamorphism, expressed by the yield of volatile substances, the reflection of vitrinite, the content of carbon and hydrogen, as well as the magnitude of its heat of combustion. In the transition from coarser to fine class, the maximum moisture content increases due to the growth of its specific surface area of coal. In this case, the maximum moisture content does not depend on the degree of oxidation and chemical composition of coal ash. It is established that the bulk density reaches a maximum for dry coal and decreases to a minimum depending on the size at a humidity of 6–10%. Oxidation of coal is accompanied by an increase in total and analytical moisture as a result of its physical and chemical sorption on the surface of coal particles. Increasing humidity leads to a decrease in the grinding capacity of coal, which complicates the achievement of uniformity of grinding and reduces the fluidity of coal. There is evidence that increasing the humidity of the charge leads to some increase in the heat of combustion of coke oven gas. However, high humidity not only increases heat consumption, but also contributes to the formation of more uneven in size coke, reducing its mechanical strength and increasing porosity, as well as reduces the service life of furnaces. The second section describes the necessary and sufficient set of instrumental, mainly standardized methods for studying the composition and properties of coal and coal charges. The main methods for evaluating the properties of coal and coal charges used in the dissertation are considered, in particular, the determination of bulk density in devices of different volumes. Unique equipment has been developed, manufactured, and used to determine the optimal angles of inclination of the gutters of the coal path of charge supply for the coal charge of different moisture, particle size and component compositions at different loads. The third section determined the effect of moisture content on the bulk density of coal concentrates and coal charges. It is established that at increase of humidity of coal concentrates from 7,3 to 14,4% their bulk density increases on 5,7–11,1 kg/m3 on 1% increase in humidity depending on a way of its measurement (the device of SE «UKHIN» or silage of the dosing department of the coal preparing plant of PJSC «ZAPORIZHKOKS»). Mathematical and graphical dependences have been developed describing the effect of increasing the humidity of coke chemical plant of PJSC «MС «AZOVSTAL» and PJSC «ZAPORIZHKOKS» on the content of less than 0.5 mm, as well as the values of their average diameter and bulk density. It is established that coal charge is characterized by a minimum bulk density at a humidity of 7.1%. Decrease or increase in humidity of coal charges in the range from 4 to 12% leads to increase in their bulk density. The draft Instruction on the accounting of concentrate residues in the silos of the dosing department and in the open coal warehouse of the coal preparation shop of PJSC «ZAPORIZHKOKS» has been developed. At increase in humidity of coal charges to 12% there is a sharp decrease in content in them of a class less than 0,5 mm. This circumstance occurs due to the agglomeration of small coal classes, which is expressed in an increase in the value of their average diameter. The fourth section examined the change in moisture during thawing and preparation of coal for coking. It is established that the freezing of particles begins when the moisture content exceeds the value of the maximum moisture content. In turn, the value of the maximum moisture content depends on the degree of metamorphism and in the range of coking coal has the maximum value for low-metamorphosed coal of the gas group. Due to the fact that the maximum values of moisture content are characterized by low-metamorphosed coal of the gas group, this coal may spend less time in the defrost garage compared to other coking coal. With decreasing temperature, the degree of freezing of coal increases with increasing humidity and decreasing particle size. The methods of mathematical statistics were used to obtain the equation describing the change in the mass of coal during its thawing depending on the moisture content, the average diameter of its particles and the time spent in the thawing garage. This equation allows us to estimate the decrease in the mass of coal during the thawing process depending on its quality indicators and the conditions of stay in the defrost garage. The loss of moisture in coal concentrates during their transportation significantly depends on the ambient temperature: the higher the temperature, the more moisture is lost, and vice versa. It is established that unloading and transportation of coal from silage of closed coal composition is accompanied by loss of ~0.9% of moisture at ambient temperature of 23.5 ºС and ~ 0.2% at temperature of +4 °С. When crushing and transporting the coal charge to the coal tower of the coke battery, the change in its actual weight is ~ 0.1% at an ambient temperature of +4 oC and 0.7% at an ambient temperature of +23.5÷25.5 ºС. The practical use of the obtained results makes it possible to save coke oven gas for heating coke ovens due to the reduction of the working humidity of the charge. For the production of 1 million tons of gross coke, this saving will amount to 3.841 million m3 of gas, or about UAH 59.8 million. In the fifth section, the effect of moisture on the flowability of the coal charge in the gutters of the charge feed paths was investigated. The analysis of time norms of technological design of concentrators showed that the relationship between the average diameter of coal in the range from 0.5 to 75.0 mm and the recommended angles of the gutters is logarithmic. It is shown that an increase in humidity and a decrease in the average diameter of coal leads to an increase in the recommended angles of the gutters regardless of the degree of their metamorphism, and an increase in the degree of coal metamorphism leads to an increase in the recommended angles of the gutters regardless of their humidity. It is shown that increasing the moisture content in the charge from 10 to 12%, the content of particles with a size of 0–3 mm from 90 to 94%, as well as increasing the load of conveyors (from 250 to 350 t/h) clearly leads to an increase in the duration of the charge, i.e. reducing the speed of its movement on the structural sheet, until the occurrence of sticking.