Влияние химического состава золы углей на технологические свойства кокса Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

--© В.А. Козлов, 2012

В.А. Козлов

ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ЗОЛЫ УГЛЕЙ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОКСА

Рассмотрено влияние химического состава золы коксующегося угля на технологические свойства образующегося кокса.

Ключевыге слова: уголь, зольность, основные и кислыге оксиды!, индекс основности золы!, показатели CRI и CSR, коэффициент плавления золы!

В международной практике производства кокса в последние годы стали дополнительно оценивать качество коксующихся углей по таким показателям, как реакционная способность CRI и послереакционная прочность CSR кокса. Обычно эти показатели вычисляют при формировании исходной шихты для коксования по эмпирическим формулам, учитывающим химический состав золы углей, входящих в шихту.

По нашему мнению наиболее точной и обоснованной формулой является методика, используемая в институте УХИН (г. Харьков, Украина), согласно которой показатель реакционной способности CRI рассчитывается по уравнению: CRI _ 13,39 + 9,35/0 - 0,45- I02, (1)

где I0 — индекс основности золы угля (шихты), %.

I _ 100 • Ad • (Fe2O3 + CaO + MgO + Na2O + K2O) 0 _ (100 - Vdaf ) • (SiO2 + A12O3 ) , ( )

где Ad — зольность угля (шихты), %; Vdaf — выход летучих веществ из угля (шихты); Fe2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O, SiO2, Al2O3 — содержание оксидов в золе угля (шихты), %.

Показатель послереакционной прочности CSR рассчитывается по уравнению:

CSR = 94,23 - 1,275- CRI. (3)

Достоверность приведенных уравнений подтверждена промышленной практикой на Украине.

В Восточном научно-исследовательском углехимическом институте ОАО ВУХИН (г. Екатеринбург) для оценки показателей CRI и CSR используют показатель индекса основности I0, рассчитываемый по формуле:

1о =

СаО + МдО + Ре203 + К20 + ^20 Э102 + А1203

(4)

Анализ формул (2) и (4) для вычисления индекса основности показывает, что формула (2) более точно отражает коксохимические свойства угля, так как дополнительно учитывает такие важные показатели, как зольность угля и выход летучих веществ.

Ниже в табл. 1 по данным собранным ВУХИН [1] приведен химический состав золы углей марки «Ж» Кузнецкого, Печорского, Южно-Якутского бассейнов, в составе золы которых преобладают (более 70—80 %) оксиды Б1 и А1 над СаО, МдО и Ре2О3 (до 15—20 %). В нижней строке таблицы приведен химический состав угля пласта «У луг» Элегестского месторождения Улугхемского бассейна (Тува), который значительно отличается от химического состава золы других бассейнов.

Обращает внимание высокое (41,3 %) содержание в золе углей пласта «Улуг» Элегестского месторождения основных (СаО+МдО+Ре2О3) и относительно низкое (43,4 %) кислых (БЮг+А^ОЗ оксидов, что приводит к примерно равному их соотношению в составе золы. В золе угля этого пласта также наблюдается высокое содержание БО3 (11—12 %).

Индекс основности характкризует плавкость золы. В табли-це-1 по данным химического анализа золы рассчитан коэффициент плавления золы (Кпд) по формуле:

по значению которого производят оценку характера плавления золы: чем больше величина Кпд, тем более тугоплавкая зола.

По данным института КузНИИУглеобогащения зола углей пласта «Улуг» относится к легко- и среднеплавкой. Температура начала деформации 1140—1320 °С, размягчения 1160— 1340 °С и начала жидкоплавкого состояния 1240—1380 °С.

Приводимые в табл. 1 коэффициенты плавления золы (Кпл=1,05) для пласта «Улуг» и более 2,4—5,9 для сопутствующих пластов также указывают также на легкую и среднюю степень плавления золы угля пласта «Улуг» и трудную - для золы углей других месторождений.

^ _ 2 ' "2^3

™ СаО + МдО + Ре203 ,

ЭЮ2 + А1203

(5)

Чем меньше индекс основности шихты углей, тем большей прочности кокса (индекс CSR) и меньшей по реакционной способности (индекс CRI) можно ожидать при коксовании шихт.

Рассчитанный ВУХИН по вышеприведенной формуле (4) индекс основности золы жирных углей пласта «Улуг» имеет высокую среднюю величину (1а= 1,002) и по сравнению с жирными углями других бассейнов, и таким образом имеет «неблагоприятный» химический состав золы. Поэтому при использовании жирных элегестских углей в шихтах для коксования ВУ-ХИН делает вывод, что необходимо учитывать этот «неблагоприятный» фактор при составлении шихты для коксования и ограничивает долю участия элегестских углей в шихте для коксования не более 15 %.

В то же время объективно оценить степень влияния химического состава золы, в том числе «неблагоприятного» по индексу основности на показатели прочности кокса в «горячем состоянии» возможно только при проведении опытных промышленных коксований с участием жирных углей Элегестского месторождения.

Аналогичную проблему пришлось решать при проектировании новой углеобогатительной фабрики для углей Любельско-го месторождения коксующихся углей Львовско-Волынского угольного бассейна (Украина). И здесь существует вопрос неблагоприятного химического состава золы рядового угля, ухудшающий показатели CRI и CSR. Эту проблему в большинстве случаев успешно решает обогащение угля, в результате которого в концентрате получают благоприятный состав золы.

Полученные нами результаты научно-исследовательской работы по обогащению угля марки «Ж» Любельского месторождения показали, что в концентрате, выделенном при плотности 1400 кг/м3 из керновых проб угля, наблюдается благоприятный химический состав золы. Расчетные значения индекса основности и показателей CRI и CSR, вычисленные по формулам (1,2,3) для концентрата, полученного СЕТСО, приведены в табл. 2.

Как видно из табл. 2 для концентрата, полученного по технологии СЕТСО, средние значения CRI <30 и CSR >55, что соответствуют принятым значениям этих показателей для качественных углей, продаваемых на мировом рынке.

В результате проведенной работы в СЕТСО разработана технология изменения химического состава золы, основанного

Таблица 1

Химический состав золы обогащенных углей марки Ж (средние данные по данным ВУХИН)

Бассейн, Пласт Состав золы, %

шахта, месторож- вю2 А12Оз СаО МдО Ре203 тю2 Р2О5 вОз к2о N320 Коэффи- Индекс

дение циент плавления (К,,,) основности (1о)

1. Кузнецкий

ш. Новая-2 3,4,5 55,2 21,9 4,8 2Д 5,9 1,1 0,8 3,3 2,1 2,1 6,02 0,220

ш. Абашевская 14,15 50,1 24,7 5,0 1,9 7,6 4,0 0,6 3,8 1,8 1,1 5,16 0,233

ш. Есаульская 26а 46,8 30,3 4Д 1,8 7,5 1,2 0,2 2,1 2,3 1,8 5,75 0,227

ш. Осинни- Ki.ES 51,8 21,5 6,7 2,0 10,2 1,3 0,4 2,0 1,1 1,2 3,88 0,289

ковская

ш. Юбилейная 16 52,5 19,4 6,0 3,2 11,0 1,3 0,5 1,8 1,8 1,7 3,56 0,327

2. Печорский

ш. Северная 59,7 25,2 2,3 1,4 5,8 1,8 0,3 1,8 0,8 0,8 8,94 0,131

ш. Ворку- 61,4 20,3 2,3 2,0 7,6 1,9 0,4 1,8 1,6 0,9 6,86 0,152

тинская

ш. Комсо- 60,6 21,3 2,8 1,0 7,1 1,6 0,6 3,5 0,8 0,8 6,55 0,153

мольская

3. Южно-

Якутский

Эльгинское у5 53,4 20,3 7,7 3,0 6,0 2,0 0,4 4,4 1,8 1,2 4,41 0,267

-/- у4 57,8 20,6 6,4 2,5 4,7 2,1 0,3 3,4 1,3 0,6 5,76 0,198

-/- Н16 46,2 28,3 7,0 2,8 7,0 1,8 0,4 4,9 1,0 0,9 4,43 0,251

-/- Н15 54,6 24,9 5,3 2,0 5,8 1,7 0,2 2,8 1,4 0,9 6,07 0,194

Чульмаканское Л11-Л19 47,3 26,4 6,4 2,3 8,5 1,5 0,1 3,9 2,0 0,4 4,28 0,266

4. Улугхемский

Элегестское «Улуг» 23,9 19,5 22,5 3,6 15,2 1,0 0,8 11,2 0,4 1,8 1,05 1,002

Таблица 2

Результаты исследования керновых проб угля шахтного поля МЗ Любельского месторождения

Показатели Пласт п8в Пласт Ну" Пласт п7

Скв. 6806 Средние Скв. 6964 Средние Скв. 6964 Средние

Концентрат по пласту** Концентрат по пласту* Концентрат по пласту*

СЕТСО* СЕТСО* СЕТСО*

Зольность, О/г. 2,13 15,4 2,14 14,7 2,2 14,0

Выход летучих, % 24,0 27,9 24,0 25,7 24,0 26,6

Сера общая, О/г. 1,22 3,6 1,48 3,0 0,7 1,7

ао2 33,49 34,97 36,31 35,65 47,50 38,37

А1203 24,41 14,42 33,0 12,82 22,79 18,64

Ре203 14,21 26,58 12,67 25,11 13,23 16,44

тю2 1,27 0,62 1,47 0,71 1,18 0,96

СаО 5,69 10,12 7,09 9,63 1,94 12,95

МдО 1,36 1,05 1,28 0,79 0,78 1,93

Индекс ос- 1,01 16,12 0,85 14,29 0,65 10,31

новности

СИ 22,35 47,16 20,99 55,10 19,27 61,95

СБИ 65,73 34,10 67,47 23,98 69,66 15,24

* — проба угля, обогащенного по технологии СЕТСО; ** — средние данные по пласту из анализов керновых проб угля.

на применении специальных зольных добавок к концентрату. Данные приведены в табл. 3 и 4. Для расчета приняты средние данные по углям шахтных полей № 1 и №2 Любельского месторождения. В колонке 3 приведены показатели низкозольного концентрата, полученного при 1400 кг/м3. В колонке-4 приведены значения для концентрата, к которому присоединены специальные зольные добавки до максимально допустимой зольности для концентрата — 10,0 %.

Из данных табл. 3 (колонка 4), следует, что для итогового концентрата зольностью 10 % значения CRI <30 и CSR >55. Эти значения соответствуют значениям для наиболее качественных углей на мировом рынке.

Как следует из табл. 4 (колонка 4) значения CRI -30 и CSR >55, что также соответствуют принятым значениям этих показателей для качественных углей, продаваемых на мировом рынке.

Получение низкозольного концентрата зольностью менее 4 % для последующего присоединения специальных зольных добавок предполагает некоторое уменьшение выхода концентрата. Но последующее присоединение зольных добавок к концентрату до общей зольности 10 % компенсирует это уменьшение выхода концентрата.

Таблица 3

Результаты расчета показателей CRI и CSR для концентрата, получаемого из угля пласта n?1 шахтных полей №1 и №2 Любельского месторождения

Показатели Значения показателей

Средние данные Концентрат <1400 К-т со спец. добавками

Зольность, % 6,67 4,0 10,0

Выход летучих, % 22,89 22,89 22,89

SiO2 37,70 37,70 75,08

A12O3 19,10 19,10 7,64

Fe2O3 10,07 10,07 4,028

CaO 14,48 14,48 5,792

MgO 2,07 2,07 0,828

K2O 1,25 1,25 0,50

Na2O 0,66 0,66 0,264

Индекс основности по формуле (2) 4,34 2,61 1,79

Реакционная способность CRI 45,52 34,70 28,68

Послереакционная прочность CSR 36,19 49,99 57,67

Таблица 4

Результаты расчета показателей CRI и CSR для концентрата, получаемого из угля пласта n7 шахтных полей 1и 2 Любельского месторождения

Показатели Значения показателей

Средние Концентрат Со спец. до-

данные <1400 бавками

Зольность, % 6,95 4,0 10,0

Выход летучих, % 24,60 24,60 24,60

SiO2 38,20 38,20 75,28

A12O3 16,80 16,80 6,72

Fe2O3 9,20 9,20 3,68

CaO 17,70 17,70 7,08

MgO 2,20 2,20 0,88

К2О 1,07 1,07 0,428

Na2O 0,61 0,61 0,244

Индекс основности 5,16 2,97 1,99

CRI 49,65 37,18 30,22

CSR 30,93 46,82 55,69

Заключение

В итоге, мы можем констатировать, что показатели CRI и CSR будут различны для рядовых углей и концентрата и, следовательно, они будут характеризоваться различными коксохимическими свойствами. Разработанные СЕТСО способы по регулированию химического состава золы угля достигают требуемых значений показателей CRI и CSR для концентратов коксуюшихся углей. Эти способы практически реализуемы в промышленных условиях.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Отчет о научно-исследовательской работе «Исследование качества углей Элегестского месторождения каменного угля по керновым пробам на площади детальной разведки», ФГУП ВУХИН, 2008. ГГШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Козлов Валим Анатольевич — кандидат технических наук, доцент, главный технолог Коралайна Инжиниринг — СЕТКО, vak@cetco.ru.