Подготовка твердого топлива

Твердое топливо в доменной печи выполняет три основных функции: обеспечивает процесс теплом, газом восстановителем и разрыхляет столб шихты, делая его газопроницаемым в зонах размягчения и плавления ЖРМ. До конца XVIII века основным видом твердого топлива для доменной плавки являлся древесный уголь. По понятным причинам, в частности, в связи с резким уменьшением запасов древесины, его использование в больших масштабах в настоящее время невозможно. Каменный уголь, запасы которого очень велики, не может быть, к сожалению, непосредственно использован в качестве топлива в шахтных доменных печах. Уголь содержит 20—40% летучих веществ, которые уже при нагреве до 250—350 °С начинают интенсивно выделяться, разрывая куски самого прочного угля с образованием угольной пыли. Эта пыль забивает пустоты между более крупными кусками руды, агломерата, окатышами, резко ухудшает газопроницаемость столба шихты в печи, загромождая горн печи угольной пылью и мусором. Работа доменных печей на угле всегда связана со снижением технико-экономических показателей плавки, а затем с тяжелыми расстройствами хода и авариями. В связи с этим в современных доменных печах в качестве основного твердого топлива используют металлургический кокс.

Металлургический кокс – это твердый остаток высокотемпературной термической обработки специальных (коксующихся) сортов каменных углей без доступа воздуха. Процесс коксования угля производится при температуре 900— 1100°С в течение 14— 18 в специальных коксовых печах, камеры которых представляют собой параллелепипед длиной 14-17 м, высотой от 4,3 до 7,0 м и шириной 0,4 – 0,45 м ч. Коксовые печи объединяют по 70-80 штук в коксовые батареи (рис. 4.4‑1). Производительность коксовой батареи может достигать 1 млн.т кокса в год.

Задача процесса коксования состоит в удалении главной массы летучих угля в коксовой печи и создании прочного кускового продукта - кокса, содержащего не более 1,5—2 % летучих веществ, что предотвращает его разрушение в доменной печи. Важнейшим свойством угля, обеспечивающим способность образовывать при нагревании прочный кокс, является спекаемость. Спекаемость углей характеризуется способностью содержащихся в них битумов при нагреве сначала переходить в жидкое состояние смачивать и пропитывать угольные частицы, т.е. образовывать пластический слой, а затем разлагаться с переходом в газовую фазу. Из углей, битумы которых возгоняются в газовую фазу без образования пластического слоя, кокс получить невозможно.

Металлургический кокс содержит 86…90 % углерода, его пористость колеблется в пределах 50…55 %, истинная плотность – 1800…1950 кг/м³, насыпная масса – 400…500 кг/м³. Влажность кокса при тушении водой составляет 2…5 %, при тушении инертным газом не превышает 0,5 %.

Качество кокса определяется химическим составом органического вещества и минеральной части (золы), физико-химическими и физико-механическими свойствами. Органическая часть кокса содержит 96…97,5 углерода, 0,3…1,3 % серы, а также небольшое количество водорода, кислорода и азота. Зола кокса на 50…70 % состоит из SiO₂ и Al₂O₃, причем SiO₂ всегда в 1,5 – 2 раза больше, чем Al₂O₃. В золе также содержится 10-20 % Fe₂O₃, 3-5 % щелочей, а также небольшие количества CaO, MgO, SO₃, P₂O₅, Mn₃O₄. Зольность кокса оказывает влияние на выход доменного шлака и прочность кокса. Считается, что каждый 1% увеличения зольности приводит к снижению производительности доменных печей на 1—2% и повышению удельного расхода кокса на 1,2—2,0%.

Содержание летучих в коксе составляет 0,7 – 1,5 %. Содержание остаточных летучих веществ в коксе зависит от температуры и продолжительности коксования. Состав летучих (из углей Кузнецкого и Карагандинского бассейнов): CO₂ = 13,2 %, CO – 24,1 %, CH₄ – 0,9 %, H₂ – 39,5 %, N₂ – 22,3 %.

Сера в коксе содержится в трех видах: органическая (65-75 %), сульфидная (FeS – 18-26 %) и сульфатная – (CaSO₄, BaSO₄ – 1,5 – 7,5 %). Главным фактором, определяющим содержание серы, а также фосфора в коксе, является содержание их в исходном угле. Считается, что при увеличении содержания серы в коксе на 0,1% удельный расход кокса в среднем возрастает на 1—1,4%.

В промышленных условиях качество кокса оценивают по результатам технического анализа, при котором определяют содержание золы (А), летучих веществ (V), серы (S) в сухом коксе и его влажность (W). При этом содержание влаги дают сверх 100 %. Содержание углерода определяют расчетом: С_н = 100 – (А+V+S), %.

Ниже приведен технический анализ каменноугольного кокса некоторых промышленных районов мира,% (на сухую массу):

А S V С_н

Из кузнецких углей (Россия) ... 10,0-11,0 0,45-0,70 До 1,5 85.0-89.0

Из донецких углей (Украина) ... 9,0-11,0 1,5-2,0 До 1,5 85,0-89.5

Из печорских углей (Россия) .....10,5-10,7 0,54-0,57 До 1,2 86,5-87,5

Коннсльсвильский (США).. 8-15,9 0,62-1,30 0,3-1,3 83,8-91,1

Рурский (Германия) 9,8-10,2 0,9-1,2 До 1,9 86,7-87,4

Деремский (Англия) 10,7 0,9-1,1 0,5-1,2 87,49

Индийский 21,9 0,56 0,98 76,56

Теплоту сгорания кокса рассчитывают по формуле Д.И. Менделеева:

Q = 4,19∙ [81∙C + 300∙H - 26∙(O - S), кДж/кг, (4.4‑1)

где C, H, O и S – содержание углерода, водорода, кислорода и серы в массе сухого кокса, %.

Основными физико-химическими свойствами кокса являются горючесть и реакционная способность. Горючесть кокса определяется скоростью взаимодействия его с кислородом. Способы определения горючести не стандартизированы. До сих пор не существует единой точки зрения по вопросу о влиянии горючести кокса на показатели доменной плавки. Современные представления о влиянии величины окислительных зон перед фурмами доменной печи на совершенство хода в большой мере согласуются со взглядами Р. Банзена. Согласно этим представлениям, снижение горючести кокса увеличивает размер окислительных зон, облегчая опускание шихты в печи.

Реакционная способность кокса определяется величиной константы скорости его взаимодействия с двуокисью углерода при 1100 °С. Промышленными опытами, проведенными в ФРГ, показано, что доменный кокс пониженной реакционной способности в меньшей степени реагирует с двуокисью углерода в шахте доменных печей. Понижение реакционной способности кокса во всех случаях приводило к снижению удельного расхода кокса и повышению производительности печей.

Кокс обеспечивает газопроницаемость столба шихты в доменной печи. Поэтому к нему предъявляются жесткие требования по гранулометрическому составу, прочности, а также прочности при восстановлении. Прочный пористый кокс разрыхляет мелкие шихты, улучшая их газопроницаемость. Слабый в механическом отношении кокс создает угрозу замусоривания горна коксовой пылью, ухудшает сход шихты в печи, снижая ее газопроницаемость.

Механическую прочность кокса определяют по ГОСТ 5953 – 80, СТСЭВ 1513 – 79 и международному стандарту ИСО 556-80. Прочность по ГОСТ 5953 – 80 определяется путем обработки пробы массой 50 кг и крупностью >25 мм во вращающемся глухом барабане (диаметр 1 м, длина 1 м, скорость вращения 25 об/мин, время обработки 4 мин). Внутри барабана к рабочей поверхности приварены четыре уголка, усиливающие разрушение кусков кокса при вращении барабана. После испытания пробу рассеивают на классы +80 мм, 80-60мм, 60-40 мм, 40-25 мм, 25-10мм и 10-0 мм. На основании данных ситового анализа рассчитывают выход класса менее 10 мм (М10), который характеризует истираемость кокса и выход класса более 25 мм (М25), являющийся показателем прочности. На основании ситовых анализов кокса до и после испытаний рассчитывают коэффициент дробимости (К_д):

Кд = dисх /dразр, (4.4‑2)

где d_исх и d_разр – средние диаметры кусков кокса до и после испытаний.

Помимо этих простых показателей прочности, в разное время были созданы комплексные, учитывающие выход различных фракций кокса после барабанного испытания. Так, показатель Ильзедер (ФРГ) Пк связывает выход (D) фракции >60 мм перед барабанным испытанием с выходами А и С фракций соответственно >60 и <40 мм после испытания,%:

Пк = (А∙100/D) -С. (4.4‑3)

Значительное распространение получил также показатель прочности Графа (ФРГ):

K=A∙D∙ [100 ∙(а + 0,75∙S)]. (4.4‑4)

В эту формулу, помимо уже упоминавшихся выходов фракций А и D, входят выходы фракций <10 мм (а) и 20—40 мм – (S) после барабанного испытания. Установлена отчетливая связь между величиной показателя Графа и совершенством хода доменных печей.