книги из ГПНТБ / Менковский М.А. Химия в угольной промышленности

Всередине периода коксования отдельные пластические слои

сдвух сторон сливаются в один общий пластический слой, об­

разующийся в центре загрузки.

Ход температур в разных точках угольной загрузки, таким образом, различен. Чем ближе от нагреваемой стенки находится слой угля, тем раньше в нем наступает подъем температуры и тем интенсивнее он проходит.

Первичные продукты — первичная смола и первичный газ,

выделяясь из коксуемой массы проходят зоны печи с высокой

температурой и подвергаются дальнейшему разложению, что,

в конечном счете, приводит к образованию высокотемпературных

химических продуктов коксования — каменноугольной смолы и

коксового газа.

Основной поток газов, выделяющихся из полукокса, направ­ ляется по трещинам кокса к стенкам камеры и поднимается вдоль стенок.

Газы внутрь загрузки не могут проникать из-за малой газо­

проницаемости пластического слоя.

Газы, выделяющиеся из пластического слоя, также двигают­ ся под свод камеры по границе пластического слоя и полукокса.

Таким образом, все газы, образующиеся при коксовании, сме­ шиваются в подсводовом пространстве камеры. Поэтому понят­

но, почему температура обогрева печей и зависящая от нее тем­ пература стен камеры не оказывают большого влияния на обра­

зование летучих продуктов коксования. Температура обогрева печей влияет на образование летучих продуктов только в той

степени, в какой от нее зависит общий уровень развивающихся в угольной загрузке температур.

Выход и качество летучих продуктов коксования зависит в основном от температуры и объема подсводового пространства,

ибо от этого зависит время пребывания летучих в подсводовом

пространстве и продолжительность их контакта.

Оптимальной температурой подсводового пространства,

с точки зрения наибольшего для данного состава угольной смеси выхода химических продуктов коксования, является температура в интервале 700—750°. При такой температуре в подсьодовом пространстве создаются условия для высоких выходов смолы, бензольных углеводородов и других химических продуктов,

а также высокого содержания в смоле фенолов, в бензольных углеводородах — толуола.

При более высоких температурах в подсводовом простран­ стве пиролиз (разложение) летучих продуктов идет глубже, что приводит к потере наиболее ценных химических продуктов коксо­ вания — фенолов, толуола, аммиака.

Кокс производится преимущественно для доменного процесса,

но используется также для литейного производства (для рас­ плавления металла 'в вагранках), для цветной металлургии,

120

в газогенераторах для производства водяного и других видов

газа.

В дореволюционное время для производства кокса применя­ лись исключительно каменные угли марки К (коксовые угли). В настоящее время для коксования применяются самые разно­ образные угольные смеси, которые составляются из углей всех

Рис. 16. Схема получения из угля пластмасс, мыла и искусственных удо­ брений

марок — от длиннопламенных до тощих. К углям, пригодным для

коксования, относятся, следовательно, каменные угли всех ма­ рок; различна только доля их участия в смесях. Непригодными для коксования надо считать окисленные каменные угли.

(рис. 16).

Поэтому угли, идущие для коксования, оценивают также по выходу химических продуктов (табл. 19). Кокс, как правило, должен быть малозольным и содержать возможно меньше серы

121

и фосфора. Это предъявляет и к углям, применяемым для коксо­

вания, соответствующие требования.

В СССР и за рубежом предложены и осуществляются самые разнообразные методы расширения угольной базы коксования

как путем подготовки шихты, так и введением тех или иных при­

емов в самый процесс коксования и конструкций коксовых пе­

чей.

По усреднению шихты для коксования имеется уже довольно много опытных и производственных данных. При этом одновре­ менно с шихтовкой углей различных марок (вплоть до бурых) используют и другие пути для получения качественного кокса, как-то подготовку дроблением, предварительное формование и т. д. Большое народнохозяйственное значение имеет широкое применение в составе угольных смесей газовых и тощих углей, которые раньше не применялись для коксования.

По методу, разрабатываемому ИГИ АН СССР, возможно коксование углей различных марок. Измельченный каменный уголь быстро нагревается до различной температуры, не одинако­

вой для углей разного типа. При этом при достижении наиболь­ шей пластичной однородности угли схватываются и формуются. Брикеты проходят стадию спекания при температуре более вы­

сокой по сравнению с температурой формования, которой пред­ шествует медленная прокалка.

Для получения формованного металлургического топлива требуется 3 часа, для энергетического — 20 мин. По предложе­

нию Л. М. Сапожникова, для получения качественного кокса осуществляется первоначальный быстрый нагрев, формование угольной массы в пластическом состоянии, а затем медленный прогрев формованных изделий.

«Химическое» обезвоживание, т. е. добавка извести и других водоотнимающих средств, может повысить насыпной вес шихты.

122

Окись кальция, вводимая в шихту, находящуюся в бункерах, ре­

агирует с серой, содержащейся в угле, связывая ее в CaS. В этом случае содержание серы в коксе увеличивается, но CaS не растворяется в чугуне, а следовательно, содержащаяся в нем

сера не должна ухудшать металлургический процесс. Добавка

1—2% извести увеличивает насыпной вес на 8—12%. Интересные результаты получаются при комбинированном

введении в шихту извести и углеводородных жидкостей. Физико-

химическое воздействие углеводородных жидкостей (например,

керосина) на поверхность угольных зерен уменьшает их гидро­ фобность и вызывает уплотнение угольной смеси, т. е. уменьше­ ние ее насыпного веса.

На качество кокса оказывает влияние петрографическая од­ нородность шихты.

Неодинаковая твердость петрографических разновидностей угля может способствовать расширению состава угольных шихт для коксования, однако надо учитывать, что петрографические

разновидности дают различные выходы летучих веществ и про­ дуктов термической их переработки.

Наибольший выход первичной смолы дает дюрен, наимень­ ший — фюзен. Витрен и кларен занимают по этому показателю промежуточное положение. Петрографическая оценка углей, сле­ довательно, весьма важна для нахождения оптимальных усло­

вий предварительной обработки и для определения их последу­ ющего использования. Поэтому разделение углей по петрогра­ фическим типам имеет практическое значение не только для углеподготовительных цехов коксовых заводов, но и непосред­ ственно на шахтах.

Физико-механические свойства кокса находятся в зависимо­ сти от наличия зерен крупностью более 3 мм. Чем больше таких зерен в сухой шихте, тем значительнее трещиноватость получае­ мого кокса и тем ниже его барабанная проба *.

Экспериментами установлено, что зерна крупнее 6 мм яв­

ляются уже сростками угольного вещества и минеральных при­ месей, которые создают в коксе вкрапления, а вокруг них обра­ зуются звездочки трещин; поэтому наличие крупных зерен в кок­ совой шихте (более 3 мм) вызывает понижение качества кокса.

Дозировка коксовой шихты не только по составу входящих в нее углей, но и по крупности измельчения должна учитываться во

всех процессах углеподготовки, а селективная подготовка угля к коксованию, т. е. комбинирование операций измельчения, про­ сева (грохочения) и смешения, дает возможность получать кок­ совую шихту из различных углей.

определенный промежуток времени.

123

Рациональное дробление углей перед коксованием имеет большое значение в отношении насыпного веса угля и петрогра­ фического обогащения. Кроме того, оно должно обеспечить ма­ ксимальное уменьшение верхнего предела крупности угля для уменьшения трещиноватости и минимальное образование мелочи,

наличие которой снижает прочность получаемого кокса. Петро­

графическое обогащение особенно существенно для Кузбасса, представленного углями различных петрографических типов.

Наряду с операциями по подготовке шихты для коксования угля важное значение может иметь его формование при пред­ варительном расплавлении и окусковывании или же путем обыч­ ных приемов брикетирования. Формование имеет практическое, значение потому, что предварительный быстрый нагрев повы­ шает спекаемость угля.

в смеси с железной рудой и флюсами, пригодных для непосред­ ственной загрузки в доменную печь. В качестве связующего мо­ гут служить пек, концентрированный сульфатный щелок и другие добавки.

Так как объемный вес брикетов больше, чем агломерата, тоих применение определяет возможность лучшего использования полезного объема доменной печи и повышения ее производитель­ ности при уменьшении расхода кускового каменноугольного

кокса.

3. ГАЗИФИКАЦИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Применение газа в промышленности и в быту имеет громад­ ное значение, поэтому процессы газификации угля неустанно развиваются и расширяются. Благодаря достижениям современ­

ной техники самые разнообразные угли, в том числе и низкосорт­ ные, можно «облагородить», переводя их в газообразное топли­ во. Последнее обладает ценными свойствами: простотой сжига­

ния, высокими горючестью и температурой сгорания, бездым­

ностью пламени, легкостью передачи на дальние расстояния и т. д.

При этом из угля извлекаются все ценные содержащиеся в нем вещества, требуемые для развития промышленности высо­ комолекулярных соединений. Настала пора развития комплекс­ ных предприятий по добыче и переработке угля — углегазохими­ ческих комбинатов.

Газификация угля представляет собой термохимический про­ цесс, при котором углерод угля при помощи кислорода (связан­ ного и свободного) превращается в горючие газы. При неполном окислении углерода кислородом можно превратить его в окись углерода — газ, обладающий горючими свойствами. Взаимодей-

124

ствие углерода с водяным паром образует горючую смесь водо­ рода с окисью углерода. Обработка углерода углекислотой также

дает в результате газ, состоящий из окиси углерода.

125

Для газификации применяются разные конструкции газогене­ раторов. Например, по роду топлива газогенераторы можно клас­

сифицировать на антрацитовые, буроугольные, сланцевые и др.;

по способу подачи дутья — на самодувные и с принудительной подачей воздуха; по форме шахты печи — на цилиндрические и прямоугольные; по конструкции колосниковой решетки — с не­ подвижной решеткой, с вращающейся решеткой и безрешетные.

В настоящее время применяются преимущественно газогенера­

торы с вращающимися решетками. Шлак из последних удаляет­ ся в твердом виде или в расплавленном состоянии.

Газогенераторы для производства воздушного газа являются аппаратами непрерывного действия. Современные газогенера­

торы имеют автоматическое управление подачи пара и воздуш­ ного дутья.

Производство водяного газа осуществляется в агрегатах, состоящих из газогенератора, рекуператора, парового котла и промывной башни (скруббера).

Реакции получения водяного газа протекают с поглощением

тепла, поэтому разложение водяного пара требует подвода до­

полнительного тепла.

Рекуператор служит для подогрева водяного пара, исполь­ зуемого для дутья, подаваемого в газогенератор за счет тепла горения воздушного газа, получаемого при периодической про­ дувке газогенератора воздухом.

Паровой котел нагревается за счет тепла дымовых газов, по­

ступающих из рекуператора, и служит для производства водя­ ного пара.

Промывная башня служит для охлаждения и очистки водяного газа от пыли перед подачей его в газовую ма­ гистраль.

В последнее время получил применение процесс газификации мелкозернистого топлива в «кипящем слое». Сущность этого процесса заключается в следующем: дутье в генератор подается с такой интенсивностью, что слой топлива приходит в подвижное состояние и начинает как бы кипеть. Благодаря большой поверх­ ности мелких частиц топлива достигается высокая интенсивность процесса газификации. В среднюю часть шахты генератора при этом процессе подается вторичное дутье для частичной газифи­ кации уносимой пыли.

В зависимости от условий газификации, которые в основном

определяются конструкцией и типом газогенератора, к углям

предъявляются разные требования.

Уголь прежде всего должен быть однороден по размеру кус­

ков и содержать возможно меньше мелочи и пыли. При получении смешанного и парокислородного газа из бурых углей средняя

крупность кусков их устанавливается в 25 мм, каменных углей— 10—12 мм, антрацитов — 6 мм. При наличии в угле более 15%

126

мелочи он перед загрузкой в газогенератор должен быть про­

сеян.

При получении водяного газа применяют уголь крупностью

25—100 мм, а для получения воздушного газа—более крупный. При газификации угля в кипящем слое крупность его должна составлять до 10—12 мм. Наличие в угле пыли (0—1 мм) более

10—12% не допускается.

Установлено, что при средней влажности топлива 20—25%

смолы разлагается в зоне газификации и газ получается удов­ летворительного качества; иногда допускают содержание влаги,

до 40 и даже до 50%.

Для обеспечения нормальной работы обычных газогенерато­ ров зольность угля не должна превышать 15—20%. При газифи­

кации угля во взвешенном состоянии допустимая зольность дол­ жна быть не более 30%. При газификации угля в газогенерато­ рах с жидким шлакоудалением допускается более высокая золь­

ность.

Чем выше способность топлива к шлакообразованию, тем. труднее его газифицировать; шлаки налипают на стенки газо­ генератора, что затрудняет его обслуживание и снижает произ­ водительность.

Сернистость угля отрицательно отражается на применении

его для газификации. Хотя почти 80% серы при разложении угля переходит в газ преимущественно в виде сероводорода, ко­ торый при горении может дать добавочное тепло, однако обра­ зующийся сернистый газ корродирует металлические части газо­ очистительной и печной арматуры.

Спекающиеся угли не отвечают требованиям газификации.

Они образуют в газогенераторе корки, нарушающие нормальную,

циркуляцию газов. В случае необходимости применения для га­ зификации спекающихся углей их смешивают с другими — неспекающимися или подвергают предварительной специальной обработке, снижающей их спекаемость, например окислению ды­

мовыми газами с содержанием 2—10% кислорода при темпера­ туре 120—200°.

Качество генераторного газа, его состав и теплота сгорания: зависят от стадии метаморфизма угля — чем больше выход ле­

тучих веществ, тем выше теплота сгорания газа. Газ с наиболь­ шей теплотой сгорания получается из бурых и длиннопламенных

углей, с наименьшей — из антрацитов.

Для получения смешанного генераторного газа разные виды:

угля по признаку их спекаемости и выходу смолы делят на три

группы: 1) неспекающиеся и практически не дающие смолы; 2) спекающиеся, дающие смолу; 3) неспекающиеся, дающие смолу.

Угли первой группы позволяют газифицировать их в газоге­ нераторах самой простой конструкции. Угли второй группы дол­

127

жны газифицироваться в газогенераторах с системой охлажде­ ния и промывки газа для выделения смолы. Для углей третьей группы требуются специальные газогенераторы, особенно при влажном угле, например генераторы с принудительным отводом влаги из зоны подсушки и т. д.

Определенные требования предъявляются к углям при гази­ фикации их для получения других видов газа. Для получения воздушного газа топливо должно отвечать требованиям жидкого

шлакоудаления. Виды топлива, применяемого для получения во­ дяного газа, ограничены. В настоящее время крупные станции

Рис. 18. Схема подземного газогенератора Кириченко

водяного газа работают преимущественно на крупнокусковом

коксе, а также на некоторых сортах антрацитов. Парокислородный газ получают из кускового топлива, требования к нему предъявляются такие же, как и для получения смешанного газа на мелкозернистом топливе.

Одна из отраслей газификации углей очень тесно связана с горным делом — это подземная газификация углей.

Идея подземной газификации углей зародилась у Д. И. Мен­

делеева; им была высказана мысль о возможности управления

подземными пожарами так, чтобы при этом получать продукты неполного горения углей, т. е. генераторный газ.

Основное народнохозяйственное значение подземной газифи­

кации углей заключается в значительном облегчении и удешев­

лении процеса добычи энергии, заложенной в ископаемых углях,

и, что очень важно, в возможности использования тонких (менее

0,5 м) пластов угля, не рентабельных для обычной разработки.

Возникновение первых промышленных и полупромышленных установок подземной газификации в СССР относится к 1930—

128