Коксування вугільних шихт з підвищеним вмістом газового вугілля

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", 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.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, 2021. The dissertation is aimed at the development of scientifically sound parameters of blast furnace coke production from coal charge, characterized by high gas coal content. The object of research is the process of forming the yield and quality of blast furnace coke and chemical coking products from coal charge, which contain high content of gas coal. The subject of research – coal concentrates, coal charge with high content of gas coal, blast furnace coke and chemical coking products. In the dissertation work on the basis of the received results of the performed laboratory, research-industrial and industrial researches the important scientific and technical problem which is characterized by scientific novelty and has practical value is solved, namely – scientifically substantiated parameters of blast furnace coke production from the coal charges gas coal content. The research was carried out using theoretical and empirical research methods. Among the theoretical methods used system analysis and synthesis, generalization, formalization, classification, analogy. 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, reflectogramm vitrinite) and ultimate (Cdaf, Hdaf, Ndaf, Sdt, Odaf) analyzes. In addition, the expansion pressure and bulk density of coal and charge were determined. The quality of the obtained coke was evaluated by sieve, proximate (Wrt, Wa, Ad, Sdt, Vdaf) and ultimate (Сdaf, Hdaf, Ndaf, Sdt, Odaf) analyzes, its real and imaginary density, porosity, abrasive hardness according to Ginsburg and structural strength were determined according to Gryaznov, microstructure (ratio of anisotropic and isotropic texture), reactivity, as well as mechanical and post-reaction strength. The quality indicators of coal tar were determined according to TU U 19.1–00190443–100:2016, the mass fraction of substances not dissolved in toluene – according to DSTU 8390–2015. The quality of coal oil was determined according to TU U 20.1–00190443–117:2017, DSTU 2265–93 and DSTU 2266–93. Statistical analysis of the obtained results and development of mathematical equations were performed using a licensed computer program Microsoft Excel. The first section analyzes the chemical and technological use of gas coal. The structure of coal use in Ukraine, as in most countries, does not correspond to the structure of their reserves – low-metamorphosed coal is of limited use, while it predominates in reserves. The main feature of the structure of gaseous coal is the large length of the side chains in the coal macromolecule and the increased number of functional groups with heteroatoms, so the main property that distinguishes this coal from medium and high metamorphosed is the increased reactivity. This must be taken into account when determining the technology of using such coal. The largest volumes of gas coal use in coke production are achieved as a result of the use of new technologies of preparation and coking, such as molded coke, thermal preparation and compaction. Gas coal is the preferred raw material for gasification, semi-coking and hydrogenation, which allows the production of steam and gas products, alternative to those obtained from the processing of natural gas and oil. The least expensive is to increase the content of gas coal in the coking charge with traditional gravity loading embankment. However, in this case, to ensure high technical and economic performance requires the development of special technological solutions, primarily aimed at ensuring the quality of coke produced in accordance with the requirements of consumers. The second section shows the research methodology. The necessary and sufficient set of instrumental (standardized) methods for studying the composition and properties of coal and coke has been identified and established. The main method of estimating the yield and properties of the obtained laboratory coke, used in the dissertation, is carefully considered, namely the laboratory method of determining the yield and quality of coke in a 5-kg furnace of UKHIN design. The third section presents the results of a study to improve the scheme of preparation of coal charge with different gas coal content. It is established that the coal raw material base of coking MC AZOVSTAL is characterized by the presence of coal of different degrees of metamorphism, hotness, size and grinding capacity, which necessitates the use of advanced coal preparation schemes. It is established that the values of the content of class 0–3 mm and the average diameter of coal particles, which is included in the raw material base of MC AZOVSTAL, are due to the degree of metamorphism and the content of fusion components. Mathematical dependences have been developed that allow predicting the content of the class 0–3 mm, as well as the average diameter of coal particles according to its petrographic analysis. Laboratory coking showed that the screening of small classes (<6 mm) before the final grinding of the coal charge will improve the mechanical strength of the resulting coke in terms of P25 by 0.4–1.0%, and I10 by 0.1–1.0%, moreover, the more the charge contains coarser, primarily gas coal (in the range from 15 to 35%), the greater the positive impact of screening of small classes on the quality of coke. In the fourth section, the influence of the content of dust-like classes of coal charge on the properties of coal tar is investigated. Studies have shown that coal dust not only increases the ash content of commercial resin, but also initiates the formation of soot-like particles in the vault space of the coke chamber, which increases the density of the resin and the content of particles insoluble in quinoline. The emulsifying ability of soot-like particles is higher than that of the mineral components of coal particles. To prevent undesired stabilization of the emulsions formed in the condensation compartment and to improve the dehydration of the resin in the coal charge, it is necessary to limit not only the content of class <0.2 mm but also class <0.075 mm to 10 and 5%, respectively. Deterioration of the resin settling is further facilitated by the removal of particles that have a balance of hydrophobic and hydrophilic properties, which is characteristic of the degree of carbonization corresponding to the brand "Gh". The increase in moisture content in the dehydrated resin leads to an increase in the value of the average random reflection of vitrinite, the amount of fusion components, the amount of demulsifier and reduce the duration of settling. From this point of view, the increase in the content of gaseous coal in coal mines of MC AZOVSTAL, which has lower values of the average arbitrary impression of vitrinite than in other brands, will practically not affect the moisture content in dehydrated coal tar. The fifth section presents the results of coking of coal charge with high gas content in the conditions of MC AZOVSTAL. Laboratory and experimental-industrial coking has shown that increasing the proportion of gas coal in the coking charge from 25 to 35% leads to a decrease in the yield and quality of blast furnace coke in terms of mechanical (M25, M10) and "hot" strength. The decrease in the strength of coke is correlated with a decrease in the content of the class more than 80 mm and an increase in contamination class less than 25 mm In addition, there is an increase in the yield of basic (resin, crude benzene, ammonia, hydrogen sulfide, gas) chemical products of coking. Under these conditions, as a compensatory measure should be used to increase the final coking temperature to a level of at least 1050 oC and reduce the duration of the presence of furnaces with open doors before the issuance of coke. During the period of coking of the charge with the increased content of gas coal violations of refractory masonry of chambers and naldyshkovy sealing were not established. Economic calculations show that the reduction in the cost of pig iron by reducing the procurement cost of the coal charge was $ 8.4/t. The use of blast furnace coke obtained from a charge with a high content of gas coal, leads to an increase in the average specific consumption of skip and metallurgical coke, as well as coke. This slightly reduced the concentration of oxygen in the blast.