Основы теории и практики использования буроугольного полукокса в технологических процессах и рециклинге твердых отходов

М. Б. Школлер








ОСНОВЫ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БУРОУГОЛЬНОГО ПОЛУКОКСА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ И РЕЦИКЛИНГЕ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ



Монография














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 62-664.7
ББК 34.3
     Ш67








    Школлер, М. Б.
Ш67 Основы теории и практики использования буроугольного полукокса в технологических процессах и рециклинге твердых отходов : монография / М. Б. Школлер. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. -128 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1245-2

     Представлены оригинальные результаты исследований по созданию научных основ использования в черной металлургии мелкозернистого буроугольного полукокса (БПК). Рассмотрены современные возможности промышленного производства БПК.
     Для ИТР предприятий и научно-исследовательских институтов угольной, металлургической промышленности и энергетики, профессорско-преподавательского состава, а также студентов, аспирантов и магистрантов, обучающихся по направлению «Химическая технология», профиль «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов».

УДК 62-664.7
                                                           ББК 34.3










ISBN 978-5-9729-1245-2

© Школлер М. Б., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

        СОДЕРЖАНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ.............................................4

Глава 1. СЫРЬЕВАЯ БАЗА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ БУРОУГОЛЬНЫХ ПОЛУКОКСА И ТЕРМОКОКСА...........5
Литература.............................................17

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ
ПРИМЕНЕНИЯ БУРОУГОЛЬНОГО ПОЛУКОКСА В ПРОИЗВОДСТВЕ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ КОКСА..................................18
2.1. Исследование процесса взаимодействия БПК с коксующимися углями.................................................20
2.2. Опытные коксования шихт с участием БПК в промышленных условиях...............................................35
Литература.............................................42

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА УЛУЧШЕНИЕ СПЕКАЮЩИХ СВОЙСТВ ГАЗОВЫХ
УГЛЕЙ ПУТЕМ МОДИФИКАЦИИ ОТОЩАЮЩЕЙ ДОБАВКИ..............43
Литература.............................................74

ГЛАВА 4. ЭФФЕКТИВНОЕ ПЫЛЕВИДНОЕ ТОПЛИВО (ПУТ) И ОКУСКОВАННЫЕ КОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ БПК.................78
4.1. ПУТ для доменных печей на основе БПК...............78
4.2. Термохимический способ получения окускованных композитов на основе БПКтс-кс.....................................90
Литература.............................................104

ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ БПКст-кс ДЛЯ РЕЦИКЛИНГА ТВЕРДЫХ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ...................................106
5.1. Рециклинг угольных шламов.........................106
5.2. Рециклинг железосодержащих шламов.................112
Литература.............................................121
Заключение.............................................122


3

        ПРЕДИСЛОВИЕ


      Со времени выхода монографии автора «Полукоксование каменных и бурых углей» прошло около 20 лет. Произошли существенные изменения в масштабах производства полукокса: прекратил существование завод полукоксования на Ангарском нефтехимическом комбинате, появились новые угольные предприятия в Канско-Ачинском буроугольном бассейне, выпускающие малозольные и малосернистые угли. Фирмой «Сибтермо» разработана целая линейка технологий «Термококс» на основе частичной газификации бурых углей с получением высокоактивного твердого остатка - термококса. В развитие впервые нами выдвинутого направления по использованию катализа для улучшения свойств углей со слабой спекаемостью получены также дополнительные сведения. Разработаны с использованием термококса новые виды технологического и бытового бездымного топлива, а также способы рециклинга твердых техногенных отходов угольной промышленности и черной металлургии. Освещению результатов этих работ и посвящена настоящая монография.

4

Глава 1

СЫРЬЕВАЯ БАЗА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ БУРОУГОЛЬНЫХ ПОЛУКОКСА И ТЕРМОКОКСА

     Малозольные и низкосернистые угли гигантского Канско-Ачинского буроугольного бассейна являются привлекательными объектами для использования в различных отраслях промышленности. Наиболее крупные предприятия, ведущие добычу в бассейне, поставляют потребителям уголь следующего качества (табл. 1.1).
Таблица 1.1

Качественные характеристики бурых углей Канско-Ачинского бассейна

  Разрез     Добыча,      Марка      Qdaf     Qd      Ad,   wr,  Vdaf, Sd,
            млн т/год               ккал/кг ккал/кг    %     %     %   %  
         ОАО «Сибирская угольно-энергетическая компания»                   
Березовский    9,0         2Б                                             
                           Б2Р       6660    3740   4,0-6,0 33,0 48,0  0,3
                      низкозольный                                        
                           Б2Р       6660    3740   7,3-10  35,0 48,6  0,6
                      среднезольный                                       
                          БМСШ       6660    3740   7,3-10  38,0 48,6  0,6
Бородинский                Б2                                             
                          БМСШ       6900    3740    10,4   36,0 46,5  0,4
                           Б2Р       6900    3740    16,0   35,0 46,5  0,4

      Следует, отметить, что природная высокая влажность бурых углей (30-35 %) и склонность к самовозгоранию делают нецелесообразной их транспортировку на расстояния свыше 1000 км. Для облагораживания углей Канско-Ачинского бассейна во второй половине прошлого столетия Энергетическим институтом им. Кржижановского (ЭНИН) были разработаны эффективные технологии скоростного полукоксования. Одна из них применялась на Красноярском металлургическом заводе «Сибэлектросталь» для производства

5

пылевидного восстановителя (БПКсэс), использовавшегося в процессах бес-коксовой металлургии [1, 2].
     Метод, разработанный ЭНИН, сочетает использование двух типов теплоносителей. Газовый теплоноситель применяют, как правило, для сушки перерабатываемого топлива и для нагревания твердого теплоносителя. Нагрев же топлива до температур, при которых образуются газы и пары смолы, и протекает собственно термическая деструкция осуществляют твердым теплоносителем. Технологическая схема метода ЭНИН представлена на рис. 1.1.
     Сырое топливо (если необходимо) сначала дробят до кусков размером < 6 мм, а затем дополнительно подвергают одновременному помолу и сушке с помощью горячих дымовых газов, подаваемых от котла ТЭЦ или специального топочного устройства. Окончательный размер частиц в зависимости от направления последующего использования полукокса может составлять от 100 % менее 3 мм до 80-90 % менее 90 мкм. Сушку и нагрев частиц топлива осуществляют либо во взвешенном состоянии, либо в восходящем потоке, что обеспечивает относительно равномерное прогревание. Конечная температура предварительного нагревания зависит от вида топлива и может колебаться от 120 до 400 °С.
     Подогретое и сухое топливо с помощью циклона отделяют от дымовых газов, смешивают с твердым теплоносителем, (обычно полукокс, нагретый за счет частичного сжигания в отдельном аппарате - «технологической топке» до 800-1000 °С), циркулирующим в системе, и подвергают деструкции в камере термического разложения (КТР) в течение 1-20 мин процесса при температуре 500-700 °С. Продолжительность и температура зависят от свойств используемого твердого горючего ископаемого, а также от кратности циркуляции твердого теплоносителя, которая может быть упрощенно установлена из уравнения теплового баланса КТР, допускающего равенство теплоемкостей нагретого угля и теплоносителя:


К =

Т - Т
^пк нг
Т - Т
Н ппк

6

где К - коэффициент кратности циркуляции теплоносителя; Тпк — заданная температура полукоксования; Тну — заданная температура предварительного нагрева (бертинирования) угля; Тт — заданная температура теплоносителя.

Рис. 1.1. Технологическая схема опытно-промышленной установки завода «Сибэлектросталь» для высокоскоростного пиролиза бурого угля:
Т1—Т8 — питатели-затворы турникетного типа; I — вода; II — сухой БПК;
III — увлажненный БПК; IV — газ полукоксования; V — газ бертинирования;
VI — горячий БПК.
Остальные обозначения — в тексте

     Для пиролиза использовался уголь разреза «Бородинский» (табл. 1.1), который подвергался двухступенчатому предварительному дроблению в дискозубой и валковой дробилках до крупности 50 мм.
     Дробленый уголь с влажностью 29—33 % в количестве 6 т/час, пройдя магнитный сепаратор, поступает из промежуточного бункера сырого угля через ленточный автоматический дозатор 2 типа ЛДА-12 и шнековый затвор 3 с за

7

пирающей пробкой в тангенциальную шахтную мельницу 4. Отсюда, подсушиваясь и нагреваясь до 110-160°, размолотый уголь транспортируется газом-теплоносителем в циклон 5, где отделяется от газовой фазы и через турникетный затвор поступает в контур бертинирования, состоящий из реторты нагрева 10 и циклона горячей пыли 11.
     Часть отработанного газа из контура сушки подается мельничным вентилятором 6 на рециркуляцию для снижения температуры дымовых газов, поступающих из циклонной топки 9 в шахтную мельницу. Другая часть газа подается в контур охлаждения полукокса, а избыток сбрасывается в атмосферу через мокрую пылеочистку. Горячая угольная пыль из контура бертинирования и твердый теплоноситель из циклона 12 поступают в камеру термического разложения (КТР) через встроенный полочный смеситель. Между теплоносителем и углем происходит интенсивный теплообмен с выделением парогазовой смеси. Парогазовая смесь поступает в циклон 14, где она отделяется от полукоксовой пыли. Крупная пыль возвращается через турникетный затвор в камеру термического разложения, а тонкая совместно с газами из циклона 9, пройдя циклон 15, сжигается в циклонной топке 9. Часть полукокса из камеры термического разложения переводится турникетным затвором в технологическую топку 16. Сюда же подается дутье от воздуходувки 17 в количестве, достаточным для сжигания примерно 3 % полукокса, за счет чего смесь полукокса и газа нагревается до 800 °С.
     Другая часть полукокса из камеры термического разложения либо выдается пневмотранспортом через эжектирующее устройство потребителю, либо в реторту охлаждения для снижения температуры до 150-180 °С за счет подачи холодного отработанного сушильного агента из контура сушки и воды через форсунку тонкого распыления.
     Отделение полукокса от газовой фазы происходит в циклоне 19, установленном на бункере 20. Дым сбрасывается в атмосферу через мокрую пылеочистку. Полукокс из бункера 20 может быть отдан потребителю пневмокамер-

8

ным насосом 21 или автотранспортом после увлажнения в двухвальном смесителе 22 водой с добавкой поверхностно-активного вещества (ПАВ).
     Реакции бертинирования в реторте нагрева, горения и частичная газификация в технологической топке происходят во взвешенном состоянии в течение нескольких секунд. Основная реакция пиролиза - термическое разложение бер-тинированного угля протекает в КТР. На всех стадиях превращения угля в полукокс созданы условия для интенсивного тепломассообмена.
     Из материального баланса следует, что в технологической топке сжигается 3,8 % полукокса. Расход сырого угля на 1 т полукокса равен 3 т, сухого угля -около 2 т.
     Наиболее ценный газ образуется в КТР. Он содержит 25,6 % углеводородов, 21,7 % моноокиси углерода, 21,8 % водорода. Расчетная теплота сгорания достигает 20 МДж/нм³. Газ такого состава может быть высококачественным промышленным топливом или сырьем для промышленности органического синтеза.
     Опытно-промышленная установка была успешно освоена. На ней до завершения эксплуатации при непрерывных пробегах длительностью 10-20 суток было переработано более 100 тыс. т бурого угля, что дало возможность проведения крупномасштабных промышленных экспериментов по использованию буроугольного полукокса в различных металлургических процессах [1].
     На основе этих исследований ЭНИН разработал и выдал исходные данные для выполнения технического проекта опытно - промышленной энерготехнологической (энерго-топливно-химической) установки производительностью по сырому углю 175 т/ч (ЭТХ - 175) на ТЭЦ - 2 г. Красноярска [3].
     В январе 1987 г установка ЭТХ-175 была принята в опытно-промышленную эксплуатацию. В ходе пуско-наладочных работ были выявлены существенные недостатки проекта, которые ТЭЦ-2 не были устранены.
     Узким местом методов энерготехнологической переработки топлив является в настоящее время четкой концепции химической переработки смол, содержащих большое число разнообразных соединений. Однако комплексное

9

энерготехнологическое использование твердых топлив с высоким химическим потенциалом представляется одним из важнейших направлений замены нефтепродуктов для производства энергии и сырья для органического синтеза.
     В настоящее время в России производство мелкозернистого продукта из бурых углей организовано на основе технологий частичной газификации бурого угля («Термококс»), разработанных фирмой «Сибтермо» (г. Красноярск) [3]. Конечная температура процессов находятся в пределах 700-850 °С, что позволяет позиционировать получаемый продукт как кокс («термококс»). В данном монографии для удобства сопоставления он зашифрован нами аббревиатурами (БПКтк-с и БПКтк-кс).
     В 2001 году в ЗАО «Карбоника-Ф» в городе Красноярске ввело эксплуатацию опытно-промышленное производство БПКтк-с по технологии «Термо-кокс-С» (частичная газификация в плотном слое), производительностью 33 тыс. тонн в год по углю или 10 тыс. тонн в год по БПКтк-с. По существу это - слоевой процесс газификации угля на воздушном дутье, в котором газификации подвергаются в основном летучие, а степень газификации твердого углеродсодержащего остатка регулируется режимом подачи дутья. Используется малозольный уголь разреза Березовский-1. Максимальная температура в зоне газификации - 850 °С. В верхней части реактора размещены (рис. 1.2) загрузочный люк, выпускной патрубок газа, электротермическое устройство для начального розжига верхних слоев угля. Верхняя часть футерована огнеупорным кирпичом и жаростойким бетоном. Средняя часть аппарата снабжена водяной рубашкой. Нижняя треть средней части выполнена в виде усеченного конуса. Там расположено выгрузочное устройство, колосниковая решетка, устройство для подвода воздуха и охлаждающего газа. Производственная программа выполняется в 20 реакторах. Процесс управления полностью автоматизирован. В рабочем режиме фронт горения в реакторе смещается навстречу потоку дутья и за фронтом горения остается твердый остаток - полукокс. При движении фронта горения слой угля последовательно проходит стадию нагрева, сушки пиролиза, горения и активации - реагирования углеродсодержащего остатка с водяным па


10

ром, диоксидом углерода. Побочным продуктом этих реакций является горючий газ, который через систему газоотводов поступает в водогрейный котел, где сжигается для генерации тепловой энергии.


Рис. 1.2. Аппарат шахтного типа «Термококс-С»

     Из 1 тонны угля бурого угля (отсева класса 0-25 мм после сортировки угля) с теплотой сгорания 3800 ккал/кг производится 0,3 тонны полукокса с Q = 6500 ккал/кг и 1700 м³ горючего газа с Q = 850-900 ккал/м³. По энергетическому балансу 56 % теплоты сгорания исходного угля содержится в полукоксе и 40 % - в горючем газе. Теплопотери составляют 4 %.
     По мнению авторов, технологический процесс «Термококс-С» имеет ряд преимуществ по сравнению с существующими промышленными технологическими процессами полукоксования и слоевой газификации:


11