CC BY
252
МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ, ЦВЕТНЫХ ИРЕДКИХМЕТАЛЛОВ
9. Sibagatullin S.K. Formirovanie sloya shikhty v koloshnikovom prostranstve domennoj pechi [The formation of the charge layer in the throat area of a blast furnace]. Magnitogorsk: Nosov Magnitogorsk State Technical University, 2014, 188 p.
10. Sibagatullin S.K., Teplykh E.O., Kharchenko A.S. and others. The dependence of the uniformity of charging sinter and pellets into the throat area of a blast furnace on the sequence of their placing in the hopper of the bell-less charging device. Teoriya i tekhnologiya metallurgicheskogo proizvodstva [The theory and
technology of steel production]. 2012, no. 12, pp. 16-21.
11. Vorontsov V.V., Stepanov A.T. On a distribution of the charge materials around the circumference of the throat of the blast furnace. Vestnik Cherepovetskogo gosudarstvennogo universiteta [Cherepovets State University Bulletin]. 2010, no. 1, pp. 129-133.
12. Bolshakov V.I., Bogachev Yu.A., Vishnyakov V.I. and others. Prestart studies of charge loading and distribution in the blast furnace of a large volume. Chernaya metallurgiya. Byulleten' NTEHI [Ferrous mettalurgy. Bulletin of NTEI]. 2008, no. 6, pp. 14-19.
Сибагатуллин C.K., Харченко A.C. Выявление рациональной последовательности набора компонентов сырья в бункер БЗУ лоткового типа физическим моделированием // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2015. №3. С. 28-34.
Sibagatullin S.K., Kharchenko A.S. Identification of an efficient sequence of charging components of raw materials into the hopper of the bell-less charging device of a chute type by physical modeling. Vestnik Magnitogorskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2015, no. 3, pp. 28-34.
УДК 662.81/84
ЭФФЕКТИВНЫЕ СПОСОБЫ ТУШЕНИЯ КОКСА
Пожидаев Ю.А., Столярова М.С., Бабинцев Я.В.
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия
Аннотация. В работе рассмотрены способы тушения кокса, используемые установки, а также описаны особенности и недостатки каждого из них. Приведены критерии оценки эффективности тушения и проанализированы технологии изготовления кокса, что позволило выявить перспективные технологии с точки зрения экономической и экологической целесообразности.
Ключевые слова: кокс, способы тушения кокса, установка комбинированного тушения кокса с совмещением сортировки.
Введение
Коксохимическая промышленность (КХП) является одной из важнейших отраслей металлургии и обеспечивает коксом черную металлургию и ряд других отраслей промышленности, является источником разнообразных видов химического сырья, в том числе для углеграфитовых материалов и технического углерода. Путем коксования осуществляют химическую переработку каменных углей, в результате которой наряду с коксом получают высококалорийный коксовый газ, содержащий разнообразные химические продукты, являющиеся основным сырьем для многих химических производств, и особенно для продуктов органического синтеза. Цветная металлургия является потребителем малозольного пекового и связующего кокса, получаемого из каменноугольной смолы. Также к основным областям применения кокса относится выплавка чугуна (доменный кокс) - как высококачественное бездымное топливо, восстановитель железной руды, разрыхлитель шихтовых материалов. Доменный кокс должен иметь размеры кусков не менее 40 мм при ограниченном содержании кус-
ков менее 25 мм (не более 3 %) ине более 80 мм. Такие размеры кусков связаны с тем, что доменная печь является печью шахтного типа, в которой происходит противоток отходящих газов и шихтовых материалов. Если куски кокса менее требуемого размера, то они будут удаляться из печи вместе с отходящими газами. В литейном производстве кокс используют как топливо.
Классификация способов тушения кокса
Выданный из печи готовый кокс подвергается тушению, так как он находится в раскаленном состоянии (c температурой 950-1000°С). В настоящее время известны два способа тушения кокса: мокрое и сухое.
Мокрое тушение кокса
На большинстве заводов для тушения кокса применяют фенольные воды, в которых содержатся смолы, масла, аммиак, фенолы, сероводород, роданиды, цианиды и др. При этом происходит загрязнение атмосферы вредными веществами и резкое усиление коррозии коммуникации и оборудования [1].
Мокрое тушение заключается в заливке раскаленного кокса водой. На современных коксо-
34
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2015. №3
Эффективные способы тушения кокса
Пожидаев Ю.А., Столярова М.С., Бабинцев Я.В.
химических заводах (КХЗ) процесс мокрого тушения полностью механизирован и производится следующим образом. Тушильный вагон с раскаленным коксом подводится с помощью электровоза под тушильную башню, достигающую высоты 30-40 м. Башня состоит из помещения для тушильного вагона и вытяжной трубы. На высоте нескольких метров от пола башни, под вытяжной трубой, подвешено оросительное устройство, состоящее из нескольких рядов горизонтально расположенных труб (диаметром 350-400 мм) с частыми отверстиями. Это устройство соединяется трубопроводом с напорным баком. Вода накачивается в напорный бак насосами. Поступление воды из напорного бака в оросительное устройство и работа насосов автоматизированы. При открывании запорного вентиля вода из напорного бака поступает в оросительное устройство, выбивается с большой силой через отверстия в трубах и падает на горячий кокс, осуществляя его тушение. Образующиеся водяные пары уходят через вытяжную трубу в атмосферу. Часть воды не успевает испариться и стекает из вагона на дно тушильной башни, а оттуда по открытым каналам отводится в шламовые отстойники.
Тушение кокса в тушильных башнях производится в течение 1-2 мин. Влажность кокса зависит как от работы машиниста тушильного вагона, так и от количества недопала (неготовый кокс) и состояния оросительного устройства. При нормальной работе влажность кокса не должна превышать 4-5%.
Испаряющаяся в процессе тушения вода пополняется свежей водой, поступающей в напорный бак из водопровода. Часто для тушения используются отходящие с химического завода сточные воды (фенольные). На тушение безвозвратно расходуется около 0,5-0,7 м3 воды на 1 т кокса.
После окончания процесса тушения состав тушильных вагонов выводится из-под башни и подается к рампе для разгрузки. Тушильный вагон имеет наклонное дно, благодаря чему при открывании боковой двери вагона кокс самостоятельно сползает на коксовую рампу в течение нескольких секунд.
Выше изложена наиболее часто применяемая схема тушения кокса мокрым способом. Также известен способ охлаждения кокса, осуществляемый прерывистым потоком воды. В этом способе изменение условий охлаждения обеспечивает сокращение величин температурных напряжений, но не решает проблему все же имеющего место термоудара при тушении кокса
водой, безвозвратной потери тепла выдаваемого из камер кокса и залповых выбросов вредных веществ в атмосферу [2].
Известен способ, согласно которому горячий кокс под действием силы тяжести проходит через первую ступень, где охлаждается путем косвенного теплообмена через стенки теплообменника и подается на вторую ступень, где охлаждается орошением водой, которую подают по-зонно при непрерывном перемешивании и принудительном перемещении в количестве, обеспечивающем ее испарение и достижение заданной температуры в каждой зоне [4].
Устройство для осуществления этого способа содержит верхнюю камеру шахтного типа с установленными внутри нее теплообменниками и соединенную посредством питателя с нижней камерой - установленным наклонно вращающимся барабаном, разделенным на теплообменные зоны, снабженным устройствами для перемешивания и перемещения кокса к разгрузочному торцу барабана и устройством для подачи воды в разные зоны барабана с регуляторами расхода воды.
Для охлаждения кокса используют очищенные на биохимической установке фенольные воды коксохимического производства, техническую воду продувочного цикла оборотного водоснабжения или их смесь.
Также осуществляется газоотвод для выделяющегося в процессе охлаждения кокса пара системой аспирации и циклоном очистки пара от увлекаемой пыли. Парогазовую смесь после пылеочистки направляют в конденсатор-холодильник, а выходящие несконденсированные продукты - в топку дожита совместно с газом, выделяющимся из камеры охлаждения первой ступени, и затем сбрасывают в атмосферу через дымовую трубу.
Достоинства данного способа: утилизация тепла выдаваемого из печей кокса; «мягкие», без превышения температурных напряжений, условия охлаждения кокса во всем температурном диапазоне от 1000-1100 до 150-200°C, что обеспечивает достаточно высокие показатели качества кокса; отсутствие термоудара при использовании для охлаждения воды; отсутствие залповых выбросов вредных веществ в атмосферу (см. рисунок).
Недостатком этого способа является то, что в нем не учитывается различие времени охлаждения кусков разной крупности, что приводит к существенно большей влажности мелких классов, их налипанию на крупные куски и затруднению отделения от общей массы при сортиров-
www.vestnik.magtu.ru
35
МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ, ЦВЕТНЫХ ИРЕДКИХМЕТАЛЛОВ
ке кокса; различие времени удаления из внутренних объемов различных кусков кокса паров воды, используемой для их охлаждения (т.е. от-паровывания), что приводит к необходимости выдерживать кокс для этой цели на коксовой рампе; необходимость разделять кокс по классам крупности перед отправкой потребителям в отдельном крупногабаритном здании коксосортировки с использованием большого количества транспортирующего и рассеивающего оборудования, а при необходимости обеспечить стабилизацию прочностных характеристик кокса (т.е. дозированное механическое воздействие на кокс) устанавливать в здании коксосортировки дополнительные аппараты.
Устройство для осуществления тушения кокса
Общими недостаткоми мокрого тушения кокса является то, что тепло раскаленного кокса, составляющее 45-50% всего тепла, затраченного на коксование угля, безвозвратно теряется. Теряется также часть воды, подаваемой на тушение кокса, в результате ее испарения (0,5-0,6 м3/т валового кокса). Интенсивное охлаждение (от 1000±100°C до 150-200°C за 1,5-2,0 мин) за счет возникающих термических напряжений приво-
дит к образованию в кусках кокса трещин дополнительно к тем, которые образовались при коксовании. При этом значительно снижается прочность кокса. Однако этот способ тушения, несмотря на серьезные недостатки, во многих странах продолжает применяться, так как он прост по технологической оснастке и не требует больших капитальных затрат [6].
Сухое тушение кокса
Впервые способ сухого тушения кокса был осуществлен по предложению Г. Вундерлиха в 1917 г. фирмой «Sulzer» на коксогазовом заводе в г. Цюрихе (Швейцария). Делались попытки найти способ для перехода от мокрого тушения к сухому, например действие водяного пара в закрытой тушильной башне, и способ доктора Галера (фирма «Бамаг»), при котором кокс тушится в газотушильной камере горячей водой с образованием водяного газа. За прошедшие годы предложено и испытано большое число способов тушения кокса.
Впервые в России была построена установка сухого тушения кокса подземного типа на Керченском коксохимическом заводе (КХЗ) в 1936 г. Учитывая опыт работы Керченской установки сухого тушения кокса (УСТК) и ряда зарубежных установок, на Череповецком металлургическом заводе по проекту Гипрококса и Укрэнор-гочсрмета в 1960 г. была построена опытнопромышленная УСТК производительностью 1000 т/сут. В течение 1963-1965 гг. на этом же заводе запущена в эксплуатацию промышленная УСТК в составе двух агрегатов (блоков). В 1966-1975 гг. были сооружены установки на Авдеевском КХЗ, Орско-Халиловском, Западносибирском, Новолипецком, Карагандинском металлургических заводах и Криворожском КХЗ.
Раскаленный кокс, выдаваемый из коксовой камеры, содержит большое количество тепла. В процессе тушения кокса за счет этого тепла образуется водяной пар, который не используется и уходит в атмосферу. Чтобы использовать это тепло, применяется сухое тушение кокса, которое заключается в следующем. Из тушильного вагона раскаленный кокс ссыпается в специальную кирпичную камеру, изолированную от проникновения в нее воздуха. Через эту камеру при помощи вентиляторов продуваются инертные газы, состоящие из углекислоты и азота, в атмосфере которых не происходит горения. Инертные газы проходят через раскаленный кокс и за счет его теплоты нагреваются до температуры 500-700°С, после чего прогоняются по системе газоходов парового котла. Омывая паровой котел, горячие газы отдают свое тепло для образо-
36
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2015. №3
Эффективные способы тушения кокса
Пожидаев Ю.А., Столярова М.С., Бабинцев Я.В.
вания пара, идущего на нужды завода. При сухом тушении температура кокса постепенно снижается и охлажденный кокс выдается на рампу [3].
Рампа представляет собой наклонную площадку шириной 6-7 м, выстилаемую чугунными плитами. Назначение коксовой рампы состоит в следующем. Кокс, выгруженный из тушильного вагона, имеет температуру, достигающую 200-300°С. Транспортировать такой кокс ленточными резиновыми транспортерами нельзя, так как он будет их прожигать и приводить в негодность. Кроме того, свежепотушенный кокс содержит много поверхностной влаги, вследствие чего коксовый мусор прилипает к крупным кускам кокса и в дальнейшем плохо отсортировывается на коксосортировке. Поэтому кокс вылеживается на коксовой рампе в течение 30-40 мин. За это время поверхностная влага кокса успевает испариться, а кокс успевает остыть до температуры, позволяющей его дальнейшее транспортирование [5].
Длина рампы зависит от количества обслуживаемых печей и обычно колеблется в пределах 50-70 м. Большое значение имеет угол наклона рампы. При крутом наклоне кокс скатывается книзу и не ложится равномерным слоем по поверхности рампы, что препятствует его охлаждению. При малом наклоне кокс плохо сходит с рампы, и приходится сталкивать его вниз вручную. Опытами установлено, что наиболее благоприятным является угол наклона 27-28 град. При этом кокс ложится по рампе равномерным слоем и легко сползает.
По нижней кромке рампы устанавливаются затворы, задерживающие кокс. Затворы изготовляются из круглого или полосового железа и имеют вид установленной вертикально решетки. С помощью шарнирного устройства и контргрузов затворы могут поворачиваться и подниматься нижним концом вверх. При этом между нижним краем затвора и нижней кромкой рампы образуется щель, через которую кокс сползает с рампы и падает на установленный вдоль нее ленточный транспортер. Управление затворами ручное и производится с обслуживающей площадки, расположенной над транспортером вдоль рампы. Этим транспортером кокс по наклонному мосту доставляется на верхний этаж коксосортировки [9].
Недостатком этого способа является то, что циркулирующий газ представляет собой смесь горючих и негорючих составляющих, которые при циркуляции через массу раскаленного кокса взаимодействуют с ним, что приводит к значи-
тельным потерям кокса - угару (более 3%), образованию избыточных газов, сброс которых вызывает загрязнение воздушного бассейна [10]. Горючие и токсичные компоненты газа затрудняют эксплуатацию УСТК. Транспортировка и сортировка кокса после УСТК создают проблемы по запыленности галерей и помещений. Требуются специальные мероприятия по фильтрации (обеспыливанию) воздуха.
Наиболее прогрессивным направлением по совершенствованию процесса тушения кокса является способ охлаждения, согласно которому кокс охлаждается в две ступени: на первой - водой через стенки теплообменника и на второй -охлаждающим газом, содержащим пары воды. Устройство для осуществления этого способа содержит шахту с пережимом в центральной части. Недостатком данного устройства является неравномерность охлаждения кокса из-за разной порозности кокса (доля межкусковых пустот в общем объеме слоя) в движущейся массе и большей скорости движения центральных участков, чем периферийных. Способ сложен ещё и потому, что газ второй ступени необходимо очищать от пыли. Эти способы также требуют сортировки кокса по классам крупности для формирования потребительских свойств перед отправкой [7].
Основные выводы по работе:
Выявлены основные факторы, влияющие на качество тушения технологическими средствами (водой, инертным газом):
- начальный размер фракций;
- равномерность приема кокса из камеры коксования в тушильный вагон и правильное его положение в вагоне;
- надежность устройств тушения кокса;
- продолжительность и равномерность тушения техническими средствами;
- качество технологических средств тушения;
- строгость выполнения технологических операций во временном интервале;
- уровень автоматизации комплекса тушения и сортировки с учетом человеческого фактора.
Таким образом, операция тушения кокса является важным звеном технологической цепочки, выполнение требований и норм которой будет оказывать влияние на качественные показатели кокса [8]. Для металлургии качественной оценкой кокса являются реакционная способность кокса (РСК), индекс реактивности (CRI), прочность остатка кокса после реакции с углеродом (CSR) и размер фракций, что в большей мере можно охарактеризовать его механической прочностью.
www.vestnik.magtu.ru
37
МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ, ЦВЕТНЫХ ИРЕДКИХМЕТАЛЛОВ
Совмещение операции тушения и сортировки кокса позволяет улучшить экологическую обстановку на предприятии и соответственно условия труда.
Заключение
Из анализа рассмотренных методов следует, что для улучшения качественных показателей кокса следует совместить процессы охлаждения кокса с его сортировкой по классам крупности.
Развитие методик конструирования технологических комплексов, осуществляющих совместное тушение и сортировку выданного из печи кокса, является актуальной проблемой для металлургии.
Список литературы:
1. Пожидаев Ю.А., Кадошников В.И., Савочкина Л.В. Проектирование демпфирующих систем для рекуперации энергии // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова, 2011. №3. С. 80-83.
2. Мучник Д.А. Формирование свойств доменного кокса. М.: Металлургия, 1983. 182 с.
3. Справочник коксохимика. Т. 2. / под ред. А.К. Шелкова. М.: Металлургия, 1965. 288 с.
4. Пат. 2110552 РФ, МПК6 С10 В39/02. Способ охлаждения кокса и устройство для его осуществления / Бабанин В.И., Зайденберг М.А. Опубл. 10.05.1998.
5. Угар кокса при транспортировании и сухом тушении / Степанов Ю.В., Беркутов H.A., Сухоруков В.И. и др. // Кокс и химия. 1999. № 10. С. 11-16.
6. Сысков К. И., Королёв Ю. Г. Коксохимическое производство. М.: Высш. шк., 1969. 150 с.
7. Лейбович Р.Е. и др. Технология коксохимических производств. М.: Металлургия, 1982. 361 с.
8. Салов И.А., Пожидаев Ю.А. Способ определения механических характеристик хрупких материалов при дроблении // Механическое оборудование металлургических заводов. Вып. 3. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2014.С 102-105.
9. Сухое тушение кокса / Теплицкий М.Г. и др. М.: Металлургия, 1971. 264 с.
10. Петухов В.Н., Субботин В.В. Исследования физикохимических свойств бурых углей Маячинского месторождения республики Башкортостан и установление технологических режимов их обогащения // Теория и технология металлургического производства. 2011. № 11. С. 134-138.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
EFFICIENT COKE QUENCHING METHODS
Pozhidaev Yurii Aleksandrovich - Teaching Assistant, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: yoragan74@mail.ru.
Stolyarova Marina Sergeevna - student, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: stolyarovsv1@rambler.ru.
Babintsev Yaroslav Vitalievich - student, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia.
Abstract. This paper focuses on coke quenching methods, applied plants, and describes their features and limitations. It contains performance assessment criteria of quenching and analyzes coke manufacturing techniques, revealing advanced technologies in terms of economic and environmental feasibility.
Keywords: Coke, coke quenching methods, combined coke quenching and screening plant.
References
1. Pozhidaev Yu.A., Kadoshnikov V.I., Savochkina L.V. Design of damping systems to recover energy. Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University] 2011, no. 3, pp. 80-83.
2. Muchnik D.A. Formation of blast furnace coke properties. Moscow: Metallurgy, 1983, 182 p.
3. Reference book of coke chemical engineers. Vol. 2. Edited by A.K. Shelkova. Moscow: Metallurgy, 1965, 288 p.
4. Babanin V.I., Zaidenberg M.A. Patent of the Russian Federation 2110552, IPC6 C10 B39/02. Coke cooling method and facility. Published on 10.05.1998.
5. Stepanov Yu.V., Berkutov N.A., Sukhorukov V.I. et al. Coke burn-off loss in handling and dry quenching. Coke and chemistry, 1999, no. 10, pp. 11-16.
6. Syskov K.I., Korolev Yu.G. Coke and chemical by-products division. Moscow: Higher school, 1969, 150 p.
7. Leibovich R.E. et al. Technologies used in coke and chemical byproducts division. Moscow: Metallurgy, 1982, 361 p.
8. Salov I.A., Pozhidaev Yu.A. A method used to determine mechanical properties of brittle materials duting crushing. Mechanical equipment of metallurgical plants. Issue 3. Magnitogorsk: Nosov Magnitogorsk State Technical University, 2014, pp. 102-105.
9. Teplitsky M.G. et al. Coke dry quenching. Moscow: Metallurgy, 1971, 264 p.
10. Petukhov V.N., Subbotin V.V. Studies of physical and chemical properties of brown coals of the Mayachinskoe deposit in the republic of Bashkortostan and determination of their beneficiation schedules. Theory and technology of the metallurgical division, 2011, no. 11, pp. 134-138.
t---------------------------------------------------------------------------------------------------------1
Пожидаев Ю.А., Столярова M.C., Бабинцев Я.В. Эффективные способы тушения кокса // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2015. №3. С. 34-38.
Pozhidaev Yu.A., Stolyarova M.S., Babintsev Ya.V. Efficient coke quenching methods. Vestnik Magnitogorskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2015, no. 3, pp. 34-38.
38
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2015. №3
