Спосіб одержання металургійного середньотемпературного коксу

Винахід стосується галузі переробки вугілля, зокрема отримання металургійного середньотемпературного коксу і попутного горючого газу для використання в металургії. Відомий спосіб отримання середньотемпературного коксу у вертикальній шахтній печі, в яку вугілля подається зверху, а кокс вивантажується знизу. Перетічними рукавами піч розділена на три зони; верхню зону сушіння, середню зону коксування (піролізу) і нижню зону охолоджування, В зону сушіння і коксування подаються гарячі димові гази із зовнішнього топкового пристрою, а в зону охолоджування заздалегідь охолоджений у зовнішньому теплообміннику газ із зони коксування. Вугілля, рухаючись самопливом зверху вниз, послідовно піддається нагріванню, термічному розкладанню (коксуванню), охолоджуванню і загашується водою при вивантаженні з печі. Такі печі експлуатуються в Польщі, Австралії, Китаї, донедавна діяли в Німеччині і на Ангарському коксогазовому заводі [Школлер М.Б., Полукоксование каменных і бурых углей. - Новокузнецк: Инженерная академия Росии. Кузбас, филиал, 2001. - 232с]. Недоліками даного способу є: можливість переробляти тільки великогрудкову (20-80мм) термічно міцну сировину, оскільки потрібна подача великої кількості зовнішнього теплоносія (гарячих димових газів) і тому необхідна хороша газопроникність шара вугілля; низька питома продуктивність печі, пов’язана з необхідністю тривалого конвективного нагрівання великих частинок вугілля гарячими газами; екологічна небезпека виробництва через надходження в атмосферу великого об’єму відпрацьованого теплоносія, що містить оксид вуглецю і токсичні продукти термічного розкладання вугілля і через наявність широкого спектра токсичних речовин в рідких і газоподібних продуктах коксування і стічних водах; потреба у воді для гасіння коксу, висока вологість і знижена структурна міцність отримуваного продукту через його мокре гасіння. Найбільш близьким до способу, який заявляється за результатом, що досягається, і технічною суттю є спосіб отримання вуглецевого адсорбенту в вертикальному апараті шахтного типу з внутрішнім обігрівом за рахунок спалювання летких і частини вуглецевого залишку в шарі вугілля, що продувається потоком повітря [патент РФ №2014883, 30.06.1994р]. Спосіб передбачає розпалення шару вугілля зі сторони, протилежній подачі повітря, внаслідок якого при певних параметрах дуття утворюється зворотна теплова хвиля, яка зміщається назустріч потоку повітря. При проходженні теплової хвилі через шар вугілля послідовно піддається нагріванню, сушінню і піролізу, перетворюючись, таким чином в кокс. Парогазова суміш продуктів сушіння і піролізу, а також частина коксу реагують з киснем повітря до повного його вичерпання, утворюючи в межах теплової хвилі вузьку зону горіння, в якій досягається температура від 750 до 9000С. Далі по ходу руху гарячі продукти горіння (CO2 і Н2О) відновлюються на коксі до оксиду вуглецю і водню. Горючий газ відводиться з апарату для подальшої переробки і використання. Вуглецевий залишок, що утворюється після термоокислювальної обробки класифікується як середньотемпературний кокс. При переробці вугілля згідно з відомим способом отримуваний продукт має велику пористість (понад 60%) і розвинену внутрішню поверхню, що забезпечує його високу сорбційну активність і подальше використання переважно як вуглецевого адсорбенту. Отримуваний продукт згідно з відомим способом, незважаючи на близькість по хімічному складу до металургійного коксу, високу реакційну здатність і великий питомий електричний опір, має обмежене застосування в металургії, насамперед, через невисоку структурну міцність, малу щільність, відносно невеликого розміру грудки (максимальний - 20мм, середній - 2-5мм) і підвищену зольність. Міцність вуглецевого залишку, а також його щільність істотно знижуються внаслідок високої пористості. Недоліком даного способу також є знижений питомий вихід твердого продукту через велику міру прогару початкової вуглецьвмісної сировини. Задача даного винаходу полягає в отриманні твердого продукту, що в повній мірі відповідає вимогам до металургійного коксу, і передусім в частині структурної міцності, за умови збереження високої реакційної здатності і питомого електричного опору. Технічним результатом винаходу є підвищення енергоефективності процесу, збільшення питомого виходу твердого продукту, міцності, щільності і середнього розміру грудки середньотемпературного коксу, а також зниження його зольності за рахунок зменшення міри прогару коксу. Технічний результат досягається за рахунок укрупнення фракційного складу вихідного вугілля до 70мм, зниження питомої витрати повітря до 60-150м3/(м2од.) в залежності від марки вугілля, а також охолоджування коксу за допомогою примусової циркуляції газу по контуру „апарат-теплообмінник” з корисним відбором теплової енергії. Для досягнення технічного результату спосіб здійснюється наступним чином. У шахтний апарат через завантажувальний люк завантажують подрібнене вугілля фракції 0-70мм, під газорозподільні грати внизу шахти подають повітряне дуття з питомою витратою від 60 до 150м3/(м2год.) в залежності від марки вугілля і підпалюють шар вугілля із боку, протилежного подачі дуття, з метою утворення зворотної теплової хвилі, яка з постійною швидкістю зміщується назустріч потоку повітря, залишаючи за собою шар гарячого коксу. Вугілля при проходженні теплової хвилі послідовно зазнає нагрівання, сушіння і піролізу. Горючі продукти піролізу повністю згоряють в кисні повітря з утворенням діоксиду вуглецю і водяної пари, які потім відновлюються на гарячій поверхні коксу до оксиду вуглецю і водню, утворюючи, таким чином, горючий газ, що не містить вуглеводнів ряду вище метану, в тому числі смолистих речовин, що конденсуються. Після досягнення тепловою хвилею рівня газорозподільних грат процес завершується. По завершенню процесу коксування проводиться охолоджування (сухе гасіння) коксу за допомогою примусової циркуляції горючого газу по контуру „апарат-теплообмінник” з корисним відбором теплової енергії. Охолоджений кокс вивантажується через люк, розташований внизу апарату. У прикладах, що ілюструють спосіб, використаний апарат шахтного типу з внутрішнім діаметром 0,5м і висотою 1,5м. Приклад 1. Як сировину використовували вугілля фракції 0-70мм (Шубаркольське вугілля марки Д, Казахстан), що має наступний технічний і елементний склад: W rt 12,2% Аd 2,4% Vdaf 44% Qri 25,7МДж/кг Сdaf 77,9% Hdaf 5,3% Ndaf 1,2% Оdaf 15,16% Sdaf 0,44% В апарат завантажується 170кг дробленого вугілля. Розпалювання шару здійснюється зверху. Повітряне дуття подається знизу. Після досягнення фронтом горіння нижньої сторони шару вугілля процес завершується. Питома витрата повітря 120м3/(м2год) Швидкість руху фронту горіння становила 13,5см/година Питомий вихід коксу 56кг/(м2од) 52,2% від маси Вихід коксу вихідного вугілля Вихід горючого газу 194м3/(м2год) Питома теплота згоряння сирого газу 2,8МДж/м3 Зольність коксу Ad=5,2% Уявна щільність коксу 0,695г/м3 Структурна міцність коксу 79% Реакційна здатність по СО2 при 10000С 2,76см3/г.с Питомий електричний опір 2,2Ом.см Гранулометричний склад коксу: більше 40мм 21% 20-40мм 28% 5-20мм 44% менше 5мм 7% Приклад 2. Як сировину використали вугілля фракції 0-70мм (Березовський, марки Б2, Кансько-Ачинський басейн), що має наступний технічний і елементний склад; W rt 30% Аd 5% Vdaf 48% Qri 22,08МДж/кг Сdaf 71% Hdaf 5,0% Ndaf 0,7% Оdaf 23% Sdaf 0,3% В апарат завантажується 120кг дробленого вугілля. Розпалювання шару здійснюється зверху. Повітряне дуття подається знизу. Після досягнення фронтом горіння нижньої сторони шару вугілля процес завершується. Питома витрата повітря 67,5м3/(м2год) Швидкість руху фронту 10,5см/година горіння становила Питомий вихід коксу 36,1кг/(м2од) Вихід коксу 35% Вихід горючого газу 114м3/(м2год) Питома теплота згоряння 2,5МДж/м3 сирого газу Зольність коксу, Ad 14,2% Щільність коксу 0,53т/м3 Структурна міцність коксу 64% Реакційна здатність по СО2 7,95см3/г.с при 10000С Питомий електричний опір 1,9.103Ом.см Гранулометричний склад коксу: більше 40мм 6% 20-40мм 17% 5-20мм 40% менше 5мм 37% Приклад 3 (порівняльний).Як сировину використовували вугілля фракції 5-20мм (Березовський, марки Б2 Кансько-Ачинський басейн), що має наступний технічний і елементний склад: W rt 30% Аd 5% Vdaf 48% Qri 22,08МДж/кг Сdaf 71% Hdaf 5,0% Ndaf 0,7% Оdaf 23% Sdaf 0,3% В апарат завантажується 120кг дробленого вугілля. Розпалення шару здійснюється зверху. Повітряне дуття подається знизу. Після досягнення фронтом горіння нижньої сторони шару вугілля процес завершується. Питома витрата повітря 115м3/(м2год) Швидкість руху фронту горіння 9,2см/година становила Питомий вихід коксу 27,7кг/(м2од) Вихід коксу 27,4% Вихід горючого газу 164м3/(м2год) Питома теплота згоряння сирого 2,6МДж/м3 газу Зольність коксу, Ad 21% Щільність коксу 0,45т/м3 Структурна міцність коксу 46% Гранулометричний склад коксу: 5-20мм 19% менше 5мм 81% Таким чином, запропонований спосіб дозволяє отримувати кокс, що має більш високу міцність і щільність, низьку зольність, більш великий середній розмір грудки і більш високий питомий вихід твердого продукту (див. таблицю). Таблиця Параметр Розмір фракції вугілля, мм Питома витрата повітря, м3/(м2год) Зольність коксу Структурна міцність коксу, % Уявна щільність коксу, г/см3 Питомий вихід коксу, % Середній розмір грудки коксу, мм Приклад 1 Приклад 2 0-70 120 5,2 79 0,695 52,2 19,5 0-70 67,5 14,2 64 0,53 35,0 9,6 Приклад 3 (порівняльний) 5-20 115 21,0 46 0,45 27,4 3,2