ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ВОВЛЕЧЕНИЯ ТЕРМОАНТРАЦИТОВ В ДОМЕННЫЙ ПРОЦЕСС

THE SUBSTANTIATION FOR THE INVOLVEMENT OF TERMOANTHRACITE IN THE DOMAIN PROCESS

Olga Erokhina

student of Automation of Technological Processes and Productions department at St. Petersburg Mining university,

Russia, Saint-Petersburg

Daniil Gordeev

student of metallurgy at St. Petersburg Mining university,

Russia, Saint-Petersburg

Ivan Klimenko

student of metallurgy at St. Petersburg Mining university,

Russia, Saint-Petersburg

Aleksandr Butenko

student of Automation of Technological Processes and Productions department at St. Petersburg Mining university,

Russia, Saint-Petersburg

АННОТАЦИЯ

В качестве углеродсодержащего топлива в доменных печах для получения чугуна традиционно используется каменноугольный кокс. Основным свойством, определяющим его применение, является высокое значение горячей прочности данного топлива, позволяющее ему поддерживать слой шихты во время процесса.

В ряде производств для частичной или полной замены кокса используется антрацит. Между тем, он обладает значительно более низкой горячей прочностью, в следствии чего его использование в доменном процессе является нецелесообразным.

В качестве альтернативы предлагается внедрение дополнительного передела прокалки антрацита для получения термоантрацита, позволяющего повысить прочностные характеристики данного энергетического сырья. 

Ключевые слова: кокс; коксовые батареи; газокальцинированный термоантрацит; трубчатая вращающаяся печь; прокалка; доменная печь; чугун.

Keywords: coke; coke-oven batteries; gas calcined thermoanthracite; tubular rotary kiln; calcining; blast furnace; cast iron

Введение

Углеродсодержащее сырье в доменном процессе выполняет ряд следующих функций: энергетическое поддержание эндотермических реакций; обеспечение восстановительной атмосферы в рабочем пространстве печи; создание газопроницаемого слоя, поддерживающего столб шихты. Наиболее подходящим сырьем для реализации данных функций является кокс [4]. Между тем, ввиду высокой стоимости коксующихся углей надлежащего качества, существуют тенденции по частичному переводу доменных печей на иное углеродсодержащее сырье [1].

Наиболее распространенным вариантом является реализация энергетической функции посредством более дешевых углеродсодержащих топлив [5]. В зависимости от экономической ситуации внутри страны, используются как низкосортные угли, вдуваемые в виде пыле- и водоугольного топлив, так и природный газ.

При этом, следует отметить, что существует критическая минимальная масса используемого кокса, необходимого для корректной работы печи, что обусловлено необходимостью поддерживать столб шихты. В качестве альтернативы на ряде производств используют антрацит [6], между тем, для печей с высокой производительностью, данный не может быть применён.

Характеристикой, определяющей применимость углеродсодержащего топлива, в доменном производстве, является его прочность после реакции с двуокисью углерода [4], при этом значение данного параметра для антрацита в среднем в два раза ниже, чем для кокса. Для повышения данного параметра возможно использование термоантрацитов, широко применяемых в электродной промышленности [7].

Антрациты в ходе прокалки проходят несколько температурных ступеней, характеризующихся выходом летучих, а также усадкой антрацитов [11]. Эти превращения позволяют понизить реакционную способность антрацитов, в том числе и окисление в токе воздуха, понизить пористость, а также повысить механические характеристики, такие как плотность, прочности на истирание и изгиб и пр. [13]. Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что в ходе прокалки происходит также уменьшение реакционной способности с двуокисью углерода и, следовательно, увеличение прочности после данной реакции.

Следует также отметить, что в ходе процесса кальцинации происходит повышение теплотворной способности антрацитов, что позволяет говорить о сходимости значений данных параметров у термоантрацита и кокса.

С учетом экономических тенденций повышения стоимости кокса, внедрение дополнительного передела по прокалке антрацита является целесообразным для реального сектора экономики.

Термоантрацит

Существуют две технологии получения термоантрацита: газовая кальцинация в трубчатых вращающихся печах, а также электрокальцинация. На данный момент, себестоимость электрокальцинированного антрацита (ЭКА) выше, нежели газокальцинированного (ГКА). Это обусловлено большими издержками при производстве, связанными с использованием электроэнергии. [12]. Между тем, благодаря корректировке режимов газовой кальцинации, можно добиться сопоставимых характеристик получаемого термоантрацита. Вышеизложенное является причиной повсеместного использования трубчатых вращающихся печей для производства термоантрацита.

Следует отметить, что отходящие газы с передела прокалки могут использоваться в качестве дутья в доменном процессе, благодаря чему возможно уменьшение объема подаваемого кислорода в рабочее пространство печи. При этом, ввиду особенностей процесса прокалки в трубчатой вращающейся печи, понижается зольность антрацитов, в следствии чего уменьшается негативный эффект от загрязнения шихты золой. Следует отметить, что золы-уноса легко подвергаются последующей переработке по широко распространенным технологиям применения зол в строительстве [9].

Экология

Коксохимическое производство характеризуется образованием ряда токсичных веществ при прокаливании коксующихся углей, накапливающихся в каменноугольных смолах и коксовом газе. Так, в коксовом газе содержатся бензапирен (является канцерогеном и мутагеном), цианистые соединения (дициан (CN)₂ и синильная кислота HCN), сероводород, аммиак [2]. Ввиду образования данных соединений, необходимы существенные затраты на установку и обслуживание газоочистительных систем, а также повышенный контроль их сохранности.

Одним из наиболее распространенных методов очистки коксового газа является метод мокрой мышьяково-содовой очистки, который характеризуется образованием тиосульфата натрия. Существует ряд решений, связанных с последующей утилизацией тиосульфата, наибольшее распространение из которых получил его сброс в водоем. Данный метод приводит к возникновению дефицита кислорода в водоемах, что обусловлено восстановительной природой тиосульфата натрия [3].

Сточные воды, образующиеся при очистке коксовых газов, также отрицательно влияют на экологическую составляющую, что связано с их повсеместным загрязнением химическими продуктами коксования. Для возврата сточных вод применяют обширный спектр очистительных мероприятий, продуктом которых является технологическая вода, использующуюся при тушении кокса [10]. Сам процесс тушения также характеризуется рядом проблем. В качестве примера можно привести выделение при тушении кокса паров воды, содержащих в себе ряд агрессивных компонентов, что обуславливает повышение интенсивности коррозии металлических конструкций вблизи тушильной башни, а также загрязнение атмосферы в целом [8].

Причинами вышеперечисленных проблем является состав коксующихся углей и низкие температуры их переработки (порядка 800-900 °С). Вовлечение в доменный процесс термоантрацита и, соответственно, использование трубчатых вращающихся печей нивелирует данные проблемы, так как, во-первых, состав антрацитов является более благоприятным относительно коксующихся углей (меньшая зольность, меньшее содержание летучих веществ), во-вторых, процесс прокаливания в трубчатой печи характеризуется более высокой температурой процесса (1200 – 1300 °С), вследствие чего органические соединения распадаются на элементарные составляющие, характеризующиеся пониженной вредностью и простотой улавливания, нежели в коксохимическом производстве [13]. Помимо этого, в технологии повсеместно используются сухие методы пылегазоочистки, что позволяет избегать образования сточных вод.

Резюмируя всё вышесказанное, можно отметить, что использование в доменном процессе термоантрацита вместо кокса позволит применять более простые методов и аппаратурное оформление очистки, что приведет к снижению затрат на системы пылегазоочистки при большей экологичности технологического процесса.

Заключение

Использование термоантрацитов для частичной или полной замены кокса в доменном производстве является целесообразным по ряду факторов: более низкая себестоимость данного энергетического сырья относительно топлива, высокая экологичность процесса прокалки термоантрацитов, возможность использования отходящих газов трубчатой вращающейся печи в доменной. Помимо этого, благодаря низкой зольности антрацитов, возможно повышение качества получаемого чугуна в следствии уменьшения доли примесей в составе.

Список литературы:

1. Бажин В.Ю. Воздействие на структуру и свойства углей при экстремальной термообработке / В.Ю. Бажин, Ф.Ю. Шариков, Р.Ю. Фещенко, Е.О. Судницын // Международный научно-исследовательский журнал. – 2015 - № 7. С. 13.
2. Бажин В.Ю. Проблемы снижения выбросов цианистого водорода в производстве кокса / В.Ю. Бажин, О.В. Титов // Экология и промышленность России. - 2016. Т. 20. № 9. - С. 30–33.
3. Знак З.О., Позняк И. В. Перспективы развития химической переработки горючих ископаемых // ХИМИЗДАТ СПб: материалы конф. (Санкт-Петербург, 12-15 сент. 2006 г.) – Санкт-Петербург, 2006. - С. 128.
4. Курунов И.Ф. Качество кокса, его поведение в доменной печи и влияние на ее работу. – М.: ОАО "Черметинформация", "Новости черной металлургии за рубежом". Приложение "Аглодоменное производство", 2003. - 38 с.
5. Кусков В.Б. Использование различных видов углеродсодержащего сырья для получения тепловой энергии / В.Б. Кусков, В.Ю. Бажин // Записки Горного Института. - 2016. Т. 220. - С. 582-587.
6. Новохатский А.М. Применение антрацита в качестве заменителя кокса в доменном производстве / А.М. Новохатский, Г.Д. Михайлюк, А.В. Карпов // Научные труды Донецкого национального технического университета. - 2011. № 12. - С. 15-19.
7. Сизяков В.М. Особенности разрушения подины высокоамперного электролизера / В.М. Сизяков, В.Ю. Бажин, Р.К. Патрин, Р.Ю. Фещенко, А.В. Саитов // Новые огнеупоры. -2013. № 5. – С. 5-8.
8. Стельмаченко С.Ю. Повышение энергоэффективности и экологической безопасности коксохимических предприятий с внедрением установки сухого тушения кокса производительностью 160 т/час по коксу / С. Ю. Стельмаченко, П. П. Кинякин // Экология и промышленность. - 2012. № 4. - С. 82-89.
9. Фещенко Р.Ю. Исследование золы углей с применением комплексного термического анализа / Р.Ю. Фещенко, О.О. Ерохина, В.В. Васильев, М.Ю. Шабалов // Кокс и химия. – 2017. №1. – С. 17-22
10. Экология и безопасность в техносфере: современные проблемы и пути их решения: сборник трудов Всероссийской научной конференции 27-28 ноября 2013 года / Коллектив авторов // М.:Берлин: Директ-Медиа. 2015.- 443 с.
11. Skripchenko G.B. Structure and Properties of Thermoanthracites Obtained under Industrial Conditions / G.B. Skripchenko, A.N. Seleznev, V.I. Pirogov // Solid Fuel Chemistry. - 2010. Vol. 44. No. 6. - P. 376–381.
12. Spisak J. Innovation of the anthracite calcination process / J. Spisak, J. Mikula, J. Glocek // 15th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM. - 2015. V.3 - P. 407-414
13. Variny M. Mass and heat balance elaboration in anthracite calcination process / M. Variny, O. Mierka // 43rd International Conference of SSCHE. – 2016. – Р. 353-358