Эффективное энергосбережение при сухом охлаждении кокса: технология CDQ

Сухое гашение кокса (CDQ)

Сухое гашение кокса (Coke Dry Quenching — CDQ) — энергосберегающий процесс при производстве кокса в коксовой батарее. Установка CDQ также называется установкой сухого охлаждения кокса (CDCP). При традиционном мокром гашении (CWQ) раскаленный кокс, выталкиваемый из печи, охлаждается опрыскиванием водой. Вода испаряется и уходит в атмосферу. Главный недостаток: тепловая энергия раскаленного кокса преобразуется в пар, который уходит неиспользованным. Дополнительный минус — выбросы коксовой пыли, высокие выбросы CO₂ и тепловые потери.

При CWQ чувствительное тепло кокса рассеивается в атмосфере. Выделяется 0,5 т пара на тонну кокса (с фенолом, цианидом, сульфидом и пылью), расходуется ~0,6 м³ воды на тонну кокса. Загрязненная вода сбрасывается в окружающую среду. Таблица 1 сравнивает свойства кокса от CWQ и CDQ.

Таблица 1. Сравнение типичных свойств кокса, произведенного по процессам CWQ и CDQ

№	Параметр	Ед.	CWQ	CDQ
1	Влажность	%	2–5	0,1–0,3
2	Зольность	%	11,35	11,39
3	Летучие компоненты	%	0,5	0,41
4	Средний размер куска	мм	65	55
5	Выход коксовой пыли (после просеивания –15 мм)	%	10	13
6	Пористость	%	49	48
7	Индекс прочности в барабане	%	83,5	85
8	Прочность кокса после реакции (CSR)	%	58	60

Принцип и история CDQ

В процессе CDQ раскаленный кокс охлаждается циркулирующим газом в замкнутой системе, предотвращая выбросы пыли. Тепловая энергия, теряемая при CWQ, собирается и повторно используется в виде пара. Технология снижает расход ископаемого топлива и выбросы CO₂, способствуя предотвращению глобального потепления. CDQ устанавливают как обязательный элемент экологической стратегии. Исследование на работающей установке показало: CDQ возвращает 85% отходного тепла угаривания угля.

История развития

Техника CDQ предложена братьями Зульцер (Швейцария) в 1920-х. Улучшенная концепция непрерывной работы разработана в ГИПРОКОКС (Россия). Первая промышленная установка введена в 1965 г. на Череповецком металлургическом комбинате (СССР). К 1978 г. работало ~50 модулей по 56 т/ч. За последние десятилетия CDQ постепенно получает признание, хотя CWQ всё ещё широко применяется. Многие страны эксплуатируют CDQ-установки. Рис. 1 — модуль ГИПРОКОКС производительностью 56 т/ч.

Япония приобрела лицензию в 1975 г., три установки введены в 1976–77 гг. С ростом мощностей коксовых печей требовалось увеличение производительности CDQ. В Японии развивают однокамерные установки (single-chamber CDQ) для больших объемов. Для них критична доступность (нет резерва), требуется стабильная работа. Разработаны системы автоматизации. Рис. 2 — рост мощностей камер CDQ с 1975 г.

Технологический процесс CDQ

Раскаленный кокс (~1000–1100 °C) из печи везут в ковше на гасильной машине в CDQ. Ковш поднимается к верху камеры, кокс сбрасывается в предкамеру. В камере кокс движется вниз по гравитации, газ — вверх (противотечно). Циркулирующий газ: в основном N₂ (70–75%), CO₂ (10–15%), CO (8–10%), H₂ (2–3%). Кокс охлаждается до <200 °C газом, поддуваемым снизу. Время прохождения — 5–6 часов. Таблица 2 — типичные параметры установки 56 т/ч.

Таблица 2. Типичные параметры установки CDQ производительностью 56 т/ч

№	Параметр	Ед.	Значение
1	Производительность	т/ч	56
2	Температура заряжаемого кокса	°C	1000–1050
3	Температура разряжаемого кокса	°C	200
4	Температура газа на входе	°C	170
5	Температура газа на выходе	°C	800–850
6	Генерация пара	т/ч	25
7	Давление пара	кг/см²	40
8	Температура пара	°C	440
9	Общий объем газа	Нм³/ч	84 000

Горячий газ (800–850 °C) после камеры проходит через первичный пылесборник в котел. После котеля газ остывает до ~180 °C. Пар из котла используется как технологический или перегретый высокого давления для турбинного генератора. Газ через вторичный пылесборник идет в циркуляционный дутник, где давление поднимается, состав корректируется добавлением N₂, и газ подается в нижнюю зону камеры. При необходимости устанавливают субэкономизатор для охлаждения газа до ~130 °C, повышая КПД камеры. Вспомогательные устройства: отсекатель кокса, система удаления пыли, вторичный пылесборник перед дутником. Схема процесса — Рис. 3.

Преимущества CDQ перед CWQ

Использование чувствительного тепла кокса

Электроэнергия генерируется без сжигания ископаемого топлива — снижаются выбросы CO₂. Пример (Рис. 4): CDQ 200 т/ч вырабатывает ~36 МВт. Для той же мощности на мазуте нужно 12 т/ч мазута → 36 т/ч CO₂. CDQ дает экономическую и экологическую выгоду. Энергосбережение ~0,25 Гкал/т кокса. CDQ эффективно утилизирует энергию, рассеиваемую при CWQ.

Защита окружающей среды

При CDQ нет белого дыма (пара с пылью), характерного для CWQ — все процессы герметичны. Рабочая среда улучшается. При CWQ выбросы пыли 300–400 г/т кокса (в паре). Процесс CSQ (стабилизационное гашение) снижает выбросы, но CDQ эффективнее: <3 г/т кокса (Рис. 4), с улучшением по мере развития технологии. CDQ экологичен по воде: вода не используется, в отличие от CWQ.

Вклад в производительность доменной печи

Качество кокса от CDQ повышает производительность ДП. Две ключевые особенности: (i) более высокая механическая прочность, (ii) почти нулевая влажность. Выгоды для ДП:

• Снижение коксового расхода на несколько % — не тратится тепло на испарение влаги. Улучшается генерация на ТРТ (турбине верхового давления) за счет роста температуры газа в верху печи.
• Прочность кокса повышает проницаемость ДП → эффективнее реакции восстановления → выше производительность чугуна. Работа стабильнее.
• Высокая прочность позволяет увеличивать расход пневмоугольного топлива.

Повышение качества кокса

Качество кокса от CDQ стабильнее (стандартное отклонение ~1,25%). Равномерное качество облегчает работу ДП. Причина: постепенное охлаждение циркулирующим газом вместо резкого водяного. Избегается реакция водяного газа. Ожидаемое улучшение: барабанный индекс +1,5%, CSR +2,5%. Кокс без поверхностных пор и внутренних трещин, типичных для мокрого гашения.

Рост прочности менее выражен при высокой доле качественного коксующегося угля в смеси. Большая доля слабококсующегося угля дает дополнительную экономическую выгоду от CDQ.