1.2.3 Ископаемые угли как хим сырье

Значимая часть ископаемых углей подвергается высокотемпературной (пирогенетической) переработке, другими словами является хим сырьем. Цель таковой переработки — получение из угля ценных вторичных
товаров, применяемых в качестве горючего и полупродуктов основного органического синтеза.

Все способы переработки ископаемых углей основаны на гетерогенных, почти всегда некаталитических процессах, протекающих в многофазной системе при больших температурах. В этих критериях
материал угля претерпевает глубочайшие конфигурации, приводящие к образованию новых жестких, водянистых и газообразных товаров. По предназначению и условиям процессы пирогенетической переработки твердого
горючего разделяются на три типа: пиролиз, газификация и гидрирование.

Пиролизом, либо сухой перегонкой, именуется процесс нагревания твердого горючего без доступа воздуха с целью получения из него жестких, водянистых и газообразных товаров различного
предназначения. Зависимо от критерий процесса и природы вторичных товаров различают низкотемпературный пиролиз, либо полукоксование, и высокотемпературный пиролиз, либо
коксование. По масштабам производства, объему и обилию производимой продукции процесс коксования занимает 1-ое место посреди всех процессов переработки твердого горючего.

Полукоксование проводят при 500-580 0 С с целью получения искусственного водянистого и газообразного горючего транспортабельного и поболее ценного, чем начальное жесткое горючее. Продукты
полукоксования — горючий газ, применяемый в качестве горючего с высочайшей теплотой сгорания и сырья для органического синтеза, смола, служащая источником получения моторных топлив, растворителей и
мономеров, и полукокс, применяемый как местное горючее и добавка к шихте для коксования. Сырьем для полукоксования служат низкосортные каменные угли с высочайшим содержанием золы, бурые угли и
горючие сланцы.

Процессы гидрирования и газификации ставят целью получение из твердого горючего соответственно водянистых товаров, применяемых в качестве моторного горючего, и горючих газов. Внедрение этих способов
переработки увеличивает значение жестких топлив и каменных углей, а именно, в топливном балансе страны.

1.3 Коксование каменного угля

Коксованием именуется разновидность сухой перегонки (пиролиза) каменного угля, проводимая при 900-1200°С с целью получения кокса, горючих газов и сырья для хим индустрии.

1.3.1 Общая схема коксохимического производства

Современное коксохимическое предприятие — это крупномасштабное всеохватывающее создание, в каком утилизируются и перерабатываются все составляющие коксуемого сырья. Существует два типа
коксохимических компаний:

фабрики с полным циклом коксохимического производства, размещаемые раздельно от металлургических компаний;

коксохимические цеха (производства), входящие в состав металлургических комбинатов и размещаемые на одной площадке с ними.

Металлургический кокс составляет важный компонент сырья в доменном процессе и транспортировка его экономически нерентабельна. Не считая того, коксохимические фабрики нередко кооперируют с производствами
аммиака и азотной кислоты, основного органического синтеза, красителей, взрывчатых веществ и ракетных топлив, пластических масс, в каких в качестве сырья употребляются продукты коксохимии.

В согласовании с предназначением все цехи коксохимического завода разделяются на главные и вспомогательные. К главным производственным цехам относятся:

углеподготовительный цех, где осуществляются прием, хранение и подготовка углей к коксованию. Готовая продукция цеха — угольная шихта;

коксовый цех, в каком происходит основной процесс — переработка угольной шихты с получением мотивированного продукта кокса и летучих хим товаров — прямого коксового газа (ПКГ) — коксование;

цех улавливания, в каком происходит остывание прямого коксового газа и выделение из него хим товаров: сырого бензола (СБ), каменноугольной смолы (КУС) и соединений аммиака;

перерабатывающие цехи (коксовый, смолоперегонный, ректификации и другие), в каких хим продукты, поступающие из цеха улавливания, подвергаются предстоящей переработке. Готовой продукцией
этих цехов являются личные ароматичные углеводороды, нафталин, фталевый ангидрид, оксибензолы и пиридиновые основания, выпекал, пековый коки другие.

К вспомогательным цехам относятся: жд, ремонтный, энергетический, хозяйственный, ОТК, ЦЗЛ и другие.

На рис.1.1 представлена общая схема коксохимического производства.

1.3.2 Сырье коксохимического производства

Основной продукт коксохимического производства — искусственное жесткое горючее — кокс, выход которого составляет до 15% от массы коксуемого сырья. Кокс нужен в темной и цветной металлургии
(металлургический кокс), литейном производстве и хим индустрии. Около 80% производимого в стране кокса употребляется в доменном производстве, потому к металлургическому коксу
предъявляются определенные требования по прочности, однородности гранулометрического состава, зольности, содержанию серы и др. Обеспечить эти требования можно только при использовании сырья с
определенными качествами. Важным из этих параметров является спекаемость — способность угля при нагревании без доступа воздуха создавать из разрозненных зернышек жесткий остаток в виде
крепких кусков. Этим свойством владеют угли марок «Г», «Ж», «К» и «ОС». Но из этих марок углей создавать металлургический кокс способны только угли марки «коксовые».

Коксуемость углей находится в зависимости от их петрографического состава, степени углефикации, выхода летучих веществ, температурного интервала перехода в пластическое состояние, степени вязкости в этом
состоянии, динамики газовыделения, также технологии подготовки угольной шихты и режима коксования.

Ограниченные припасы коксующихся углей привели к необходимости использовать в качестве сырья коксохимического производства консистенции углей разных марок, взятых в определенном соотношении. Состав
схожей шихты должен обеспечивать образование кокса с данными техническими чертами, нужную полноту спекания при коксовании, соответствующий выход газа и хим товаров коксования.

Состав шихты рассчитывается на основании параметров ее компонент по результатам технического анализа и других испытаний их по правилу аддитивности

Пш = Пама + Пвмв +… + Пnмn,

где Пш — рассчитываемый показатель свойства шихты;

Па, Пв,…, Пп — показатель свойства компонент шихты,

ма, мв, мn — массовая толика компонент в шихте.

Технологический процесс составления угольной шихты (углеподготовка) осуществляется в особом углеподготовительном цехе и включает последующие операции:

прием и разгрузка углей;

складирование, усреднение состава и хранение углей;

обогащение углей;

дозирование компонент шихты;

измельчение шихты (либо, ранее, ее компонент);

составление шихты (шихтовка).

Усреднение состава угольной шихты ставит целью выравнивание свойства углей снутри каждой группы их и проводится на складе в процессе разгрузки и укладки штабелей. Усредненными числятся
угли, у каких все характеристики свойства разовых проб соответствуют среднему показателю за всегда отбора проб.

Обогащение углей для снижения содержания в их минеральных примесей проводится способами отсадки, сепарации и флотации. Отсадкой именуется процесс разделения консистенции компонент по их
плотности в турбулентном аква потоке, колеблющемся за счет пульсирующего тока воздуха в вертикальном направлении с определенной амплитудой и частотой. Этим способом обогащается до 50% углей.

Обогащение способом сепарации основано на разделении компонент угля по плотности в томных средах, в каких более легкий уголь всплывает. В качестве томных сред употребляются стойкие
минеральные суспензии пирита, барита и магнезита.

Способом флотации в текущее время обогащается около 15% углей. Почти всегда для этого употребляются флотационные машины механического типа, в каких в качестве реагентов-собирателей
используются керосин, камфарное масло, флотореагент АФ-2. Потом флотированный уголь подвергается обезвоживанию и сушке в барабанных сушилках либо «КС».

Дозирование компонент имеет огромное значение для следующего составления угольной шихты данного состава. Для этой цели угли шихты из бункеров при помощи дозаторов различной конструкции
поступают на транспортер, которым подаются на окончательное измельчение. В качестве дозирующих устройств употребляются качающиеся, ленточные и тарельчатые питатели производительностью до 200 т в
час.

Измельчение коксуемого сырья проводится для увеличения однородности шихты, что содействует улучшению свойства кокса. Потому что насыпная масса шихты находится в зависимости от ее измельчения, что, в свою
очередь, определяет экономические характеристики работы углеподготовительного и коксового цехов, то для шихт различного состава выбирают некую лучшую степень измельчения. При всем этом для
обеспечения может быть более высочайшей плотности загрузки выдерживают определенное соотношение частиц различного размера в шихте. Для измельчения углей употребляют молотилки разного типа: молотковые,
роторные, ударного деяния, инерционно-роторные и другие. Окончательное измельчение сырья для коксования может проводиться по двум схемам: по схеме ДШ, при которой измельчается вся масса шихты, и
по более совершенной дифференцированной схеме ДК, учитывающей различную твердость измельчаемого материала, при которой каждый компонент шихты измельчается раздельно. Эти схемы представлены на
рис.1.2

Шихтовка, либо смешение компонент, — это завершающая операция изготовления угольной шихты для коксования. Шихтовка осуществляется в смесительных машинах различной конструкции:
дезинтеграторных, валковых, тарельчатых и в машинах барабанного типа производительностью до 1200 т шихты в час.

Набросок 1.2 Схемы измельчения коксового сырья: а — рядовая ДШ; б — дифференцированная ДК; С — смешение; УБ — угольная башня (склад размельченного сырья).

1.3.3 Физико-химические базы процесса коксования

Коксование — это непростой двухфазный эндотермический процесс, в каком протекают термофизические перевоплощения коксуемого сырья и хим реакции с ролью компонент его органической части.
Коксование проводят в коксовых печах, являющихся реакторами повторяющегося деяния с косвенным нагревом, в каких теплота передается к коксуемой угольной шихте через стену реактора. Потому
термофизические процессы при коксовании включают:

теплопередачу от стены к материалу шихты;

диффузию товаров пиролиза (паров воды и летучих веществ) через слой шихты;

удаление этих товаров из шихты.

При установившемся режиме процесса коксования количество теплоты, передаваемое за единицу времени, обусловится из уравнения

Q = Kт · F · ?t (1.2)

где Кт — коэффициент теплопередачи, кДж/м2·град·ч;

F — поверхность теплопередачи, м2,?t = tг — tш — разность температур обогревающих стену камеры печи газов tг и нагреваемой шихты (температуры
коксования) tш. Коэффициент теплопередачи рассчитывается по формуле

(1.3)

где б1 и б2 — коэффициенты теплопередачи соответственно от греющих газов к стене печи и от стены к шихте, кДж/м2·град·ч;

д1 — толщина стены, м,

д2 = b/2 — половина толщины загрузки шихты, м, л1 и л — соответственно коэффициенты теплопроводимости стены и шихты, кДж/м2·град·ч.

Для роста термического потока и, как следствие, интенсивности подогрева печи нужно увеличивать коэффициент теплопередачи Кт и поверхность подогрева F. Так
как коэффициент теплопередачи угольной шихты очень мал, то из формулы 1.2 следует, что для роста коэффициента теплопередачи Кт, кроме увеличения б1 и б2,
нужно уменьшать толщину слоя угольной шихты. Потому ширина камеры печи довольно агрессивно регламентирована и составляет обычно 0,40-0,41 м. Из этого следует, что поверхность теплопередачи F
определяется 2-мя другими размерами камеры печи — длиной и высотой.

Коксовая печь — реактор повторяющегося деяния, потому температура угольной шихты в ней меняется во времени. Как следует, меняется и движущая сила процесса, другими словами разность температур
меж греющими газами и угольной шихтой ?t = tг — tш. Конкретно после загрузки шихты tш мала и разность ?t велика. Потому в
прохладную шихту поступает в единицу времени большее количество теплоты и уголь у стен камеры начинает коксоваться, в то время как вследствие низкой теплопроводимости шихты средние слои остаются
прохладными. По мере прогрева шихты ее температура растет и движущая сила процесса ?t падает при одновременном повышении температуры по сечению камеры.

Хим перевоплощения при коксовании могут быть сведены к реакциям 2-ух типов: первичным и вторичным.

К первичным реакциям, протекающим в шихте при ее нагревании, относятся:

реакции деструкции сложных молекул;

реакции фенолизации;

реакции карбонизации органической части угля;

реакции отщепления атомов водорода, гидроксильных, карбоксильной и метоксильной ОСН3 групп.

В процессе первичных перевоплощений из угольной шихты выделяются первичный газ и пары первичной смолы и появляется кокс. К вторичным реакциям, которые протекают при контакте выделившихся первичного
газа и первичной смолы с нагретой стеной печи, относятся:

реакции крекинга алканов

СnH2n+2 > CmH2m+2 + CpH2p;

реакции полимеризации алкенов

ЗСnН2n > ?СnН2n;

реакции дегидрогенизации нафтенов

?СnН2n > СnH2n-6 + ЗН2;

реакции конденсации ароматичных углеводородов, к примеру

2С6Н6 > С10Н8 + С2Н4;

реакции образования карбенов с следующим перевоплощением их в полукокс и кокс.

Продуктом вторичных перевоплощений является непростая смесь газообразных и парообразных при температуре коксования веществ различной природы — прямой коксовый газ (ПКГ). На рис.1.3 представлена схема
хим перевоплощений при коксовании.

Набросок 1.3 Схема хим перевоплощений при коксовании

Последовательность процессов, протекающих в шихте при повышении температуры в печи, может быть представлена в последующем виде:

250°С — отщепление Н2О, СО, СО2, Н2;

300°С — начало выделения КУС, выделение пирогенетической воды;

350-500°С — пластификация угольной шихты;

500-550°С — разложение органической части угля с выделением первичного газа и паров первичной смолы, спекание твердого остатка с образованием полукокса;

600-100°С — разложение полукокса и полное выделение летучих веществ;

100°С — упрочнение жесткой массы и образование кокса.

1.3.4 Технологический процесс коксования

Процесс коксования осуществляется в коксовых печах — реакторах повторяющегося деяния. Современная коксовая печь представляет сложное теплотехническое сооружение, состоящее из:

камеры для загрузки угольной шихты;

обогревательного простенка, в каком размещены 28-32 отопительных канала (вертикала), где происходит горение нагретого газообразного горючего для подогрева стен камеры, системы
газораспределительных и воздухоподводящих каналов для подачи газа и воздуха для отопления печи, регенераторов для обогрева газообразного горючего и воздуха, подаваемых в печь, и для отвода
товаров горения горючего; системы отвода летучих товаров коксования.

Для понижения теплопотерь на излучение, удобства эксплуатации и увеличения производительности труда коксовые печи объединяют в батареи, состоящие из п камер и п + 1 простенков.
Число печей в батарее определяется определенными критериями производства, приемущественно возможностью оптимального использования машин общего предназначения, и равно обычно 68-18.

Камера коксовой печи по конфигурации представляет параллелепипед, размеры которого зависят от ряда причин. Ширина камеры определяется шириной слоя коксуемой шихты (1.3.3), высоту и длину
выбирают исходя из обеспечения равномерности подогрева камеры, свойства шихты, размеров местности цеха и др. Камеры современных печей имеют длину 14-16 м и высоту 4,3- 1,0 м. На рис.1.4 приведена
схема коксовой печи.

Набросок 1.4. Схема коксовой печи: 1 — бункера для загрузки шихты; 2 — стояк для отвода летучих товаров; 3 — передняя дверца; 4 — задняя дверца; 5 — коксовыталкиватель.

В верхнем перекрытии камеры есть загрузочные отверстия для подачи шихты и отверстия для отвода летучих товаров коксования (прямого коксового газа), которые через газоотвод поступают в
газосборник, откуда направляются в цех улавливания. С торцов камера запирается дверцами, которые снимаются по окончании коксования для выдачи готового кокса из камеры при помощи коксовыталкивателя.

Конструкция коксовой камеры вполне обеспечивает ее плотность и исключает подсос внешнего воздуха и отопительных газов. Любая печь имеет по два регенератора, расположенных под камерой.
Газообразное горючее подается в каждый простенок батареи через распределительный газопровод. Батарея коксовых печей обслуживается единым комплексом устройств для загрузки угольной шихты и выгрузки
готового кокса, в который входят углезагрузочный вагон, коксовыталкиватель, разравнивающая шихту штанга, машина для съема дверей камеры и коксотушильный вагон.

В коксохимическом производстве используются печи, различающиеся конструктивными особенностями (размещение камер, метод подвода газа и воздуха, метод утилизации теплоты товаров горения горючего
и др.) и технологическим режимом (последовательность подъема температуры, состав обогревающего газа и др.). Но они все могут быть сведены к двум типам: печи с перекидными каналами (ПК) и печи с
рециркуляцией товаров горения (ПВР).

В печах ПВР для улучшения равномерности подогрева по длине и высоте камер в вертикалах осуществляется рециркуляция товаров горения методом подачи части их в пламя пылающего газа, что замедляет
процесс его горения и удлиняет факел пламени. Печи этого типа являются более всераспространенными. В табл.1.3 приведены свойства печей ПВР.

Таблица 1.3 — Свойства коксовых печей типа ПВР