Оптимизация выбора угля для эффективного коксохимического производства

Выбор угля для включения в угольную шихту при коксоварении

Смешивание угля необходимо с экономической точки зрения: снижение доли высокой стоимости, первичного (prime) или твердого коксующегося угля за счет замены средним или мягким коксующимся углем. На некоторых коксовых батареях в шихту также включают небольшой процент некоксующегося или энергетического угля.

Подбор правильной угольной шихты для отстояночных коксовых печей — постоянная сложность для коксопроизводителя, так как шихта должна удовлетворять следующим требованиям:

• Требования дробления при подготовке угля. Все компоненты не должны быть ни передроблены, ни недодроблены. Размерная шихта для зарядки печей должна соответствовать требованиям по плотности, текучести и гранулометрическим фракциям.
• Необходимые коксующие и кокающие свойства для производства кокса качества, соответствующего требованиям к доменному (ДП) коксу. Три базовых требования к ДП-коксу: (i) обеспечение тепла для эндотермических реакций в ДП, (ii) восстановление — выработка необходимых восстановительных газов, (iii) проницаемая опора в ДП для железнорудного заряда.
• Безопасная выдавливаемость в коксовых печах. Не должна создавать избыточное давление на стены печей при коксоварении и повреждать их.
• Соответствие выходу не только ДП-кокса, но и коксовозового газа. Правильная шихта не дает избыточного орехового кокса и коксовой крошки.
• Экономическая целесообразность.

Учитывая эти разноплановые требования, решения о шихте не принимают на адибазе, а после тщательного анализа. Фактически шихту проектируют для баланса между конкурирующими требованиями: производительность, высокое качество, затратная эффективность с учетом важности ресурса батареи.

Фокус проектирования угольной шихты (рис. 1)

С учетом требований усилия концентрируются на: (i) обеспечении физических свойств кокса, (ii) химических свойств кокса, (iii) выдавливаемости кокса, (iv) максимизации использования низкоценных углеродных материалов (мягких угля), (v) экономических требованиях, (vi) гарантии постоянной доступности угольных фракций для избежания частых изменений шихты.

Рис. 1 Требования к проектированию угольной шихты

Этапы проектирования угольной шихты

Обычно проектирование проходит серию этапов, также необходимых при внесении нового угля в шихту:

1. Изучение качества угля по данным паспорта поставщика. Оценка пригодности для шихты. Определение стоимости и долгосрочной доступности. При предварительном удовлетворении запрашивают 5-kg пробу.
2. Лабораторные тесты на 5-kg пробе для определения качеств и подтверждения соответствия паспорту. Результаты решают, какой % угля можно включить в шихту. Предварительная экономическая оценка. При положительном результате заказывают достаточное количество для пилотных испытаний в пилотной печи.
3. Пилотные испытания обычно проводят: (i) на 100% нового угля, (ii) на шихте с планируемым % нового угля. Во время пилотной коксоварении тесты на усадку и газообразование. При успехе угля используют в плановом % в шихте для заводских испытаний. На заводских испытаниях — плотный мониторинг всех параметров.
4. Внедрение в регулярное производство после успешных заводских испытаний.

Однако финальный выбор угля для включения в шихту также учитывает цену, требования угольно-подготовительного цеха, контроль качества при закупке.

Свойства угля, фокусируемые при проектировании шихты

Проектирование шихты для физических свойств кокса

Важные физические свойства кокса для стабильной работы ДП: (i) индекс реакционной способности кокса (CRI), (ii) прочность кокса после реакции (CSR), (iii) индекс Микум.

• CRI — способность кокса сопротивляться разрушению при комнатной температуре, отражает поведение кокса вне ДП и в верхней части печи.
• CSR — показатель прочности кокса после воздействия восстановительной атмосферы ДП. Измеряет потенциал разрушения кокса до меньших фракций в высокотемпературной CO/CO₂ среде нижних двух третей печи.
• Индекс Микум — барабанный тест, прочность кокса при комнатной температуре. Большие значения M40 (% кокса на +40 мм после 100 оборотов) и малые M10 (–10 мм после 100 оборотов) указывают на высокую прочность.

Петрографический анализ угля — главный инструмент прогнозирования прочности кокса. Важные свойства угля для прогноза прочности:

• Число пенистости в тигле (CSN) — диапазон в коксующихся углях 3–6. Первичные коксующиеся угли — высокие CSN, мягкие — низкие.
• Максимальная дилатация — минимум 55%. Зависит от максимальной дилатации компонентов шихты.
• Максимальная пластичность — минимум 600 ддпм в коксующихся углях. Высокая пластичность — лучшая текучесть в печах.
• Тип кокса по Грей-Кингу — минимум G5 в коксующихся углях. Для мягких — предел G мин.
• Среднее максимальное отражение (MMR/Ro_max) — в коксующихся углях 0,85–1,35%. Мягкие — ниже MMR, твердые — выше.
• Витринит — минимум 50% в коксующихся углях. Для мягких — предел 45%.
• Распределение витринита (V9–V14) — минимум 70% в коксующихся углях.

Проектирование шихты для размера кокса

Формируемый размер кокса влияет количество инертных компонентов в шихте. С падением инертного содержимого размер кокса уменьшается. Тип угля влияет на размер кокса. Размер кокса также сильно зависит от операционных переменных. В обычной практике размер кокса для ДП в основном контролируется просевом.

Проектирование шихты для выхода кокса и коксовозового газа

Количество кокса в печи обратно пропорционально летучести угля. Диапазон летучести также важен для производства высокопрочного кокса. Летучесть влияет на выход коксовозового газа — часто важный параметр газового баланса цеха.

Проектирование шихты для химических свойств кокса

При физически стабильном сырье дальнейший контроль процесса ДП через химические свойства. Главные: влага, неподающийся углерод, зола, сера, фосфор, щелочи. Большинство зависят от используемых угля. Зола, сера, щелочи негативно влияют на CSR. Фосфор положительно влияет на CSR, но нежелателен — полностью переходит в чугун. Для качественного кокса с высоким выходом желательны низкие влага, зола, сера, щелочи, фосфор и высокий неподающийся углерод. Температура плавления золы — важное свойство для коксоварения. Должна быть выше коксовальной температуры.

Проектирование шихты для выдавливаемости кокса

Максимальное коксовальное давление не должно превышать 0,14 кгс/см². Из всех свойств угля ранг и инертное содержимое первичной важности для коксовального давления на стены. Ранг в прямой связи с коксовальным давлением. Низколетучие угли создают избыточное давление. Но они дают высокую прочность кокса и высокий выход кокса.

Угли похожего ранга с высоким инертинитом дают меньшее давление. Австралийские низколетучие угли обычно дают низкое стеновое давление и включают в шихты для снижения коксовального давления. Из-за сложности измерения коксовального (стенового) давления в коммерческой печи, измерения стенового и газового давления в пилотной печи коррелируют с газовым давлением в коммерческих печах. После установления корреляции газовые замеры в коммерческой печи используют для мониторинга коксовального давления. Газовое давление растет с рангом и падает с инертинитом.

Усадка угольного заряда происходит в двух фазах коксоварения. Первая — во формировании пластичного слоя, зависит от свойств угля. После превращения пластичных слоев в полукокс, вторая фаза — усадка полукокса, зависит от условий. Обычно максимальные значения пластичности прогнозируют первую фазу боковой усадки. Вертикальная усадка в основном зависит от операционных параметров: коксовальной температуры и скорости нагрева.

Проектирование шихты для максимизации использования низкоценных углеродных материалов

Для снижения затрат с сохранением качества кокса в шихты добавляют низкоценные углеродные материалы в разном количестве. Мягкие угли, угольная крошка, коксовая крошка, кочевая смола, нефтяной кокс, асфальтены (остатки дистилляции), некоксующиеся угли показали положительный эффект на качество кокса и коксовальный процесс при правильном количестве и типе шихты. Такие практики дали снижение затрат, лучшую эксплуатацию, сохранение ресурсов.

Окисленные (выветрившиеся) угли также считать низкоценными — окисление обычно снижает CSR, стабильность, размер кокса, выход кокса, ухудшает экспансию и стеновое давление. CSR наиболее чувствителен к окислению; падение CSR больше для низкоранговых угля. Использование окисленного угля минимизировать.

Проектирование шихты для выполнения экономических требований

Технологическая оценка шихты должна дополняться экономической оценкой затрат на использование произведенного кокса. Уголь с низкой стоимостью за тонну может быть неэкономичен, если учитывать кокс из него и его использование в ДП интегрально. Качество угля может неблагоприятно влиять на выход кокса на батарее и расход кокса в ДП, а также на производительность ДП. Проектирование шихты должно гарантировать экономичность в точке использования, а не видимую экономичность на коксовом производстве. Шихта, дающая кокс с наибольшей потенциальной экономией затрат в ДП, обычно принимается для внедрения на коксовом заводе.

Проектирование шихты с гарантией постоянной доступности угля

Для избежания частых изменений шихты угли, недоступные на долгосрочной основе, не рассматривают для включения в шихту.

Описанная процедура выбора угля для включения в шихту при коксоварении показывает необходимость баланса между требованиями производительности, высокого качества кокса, ресурса батареи, затратной эффективности и общей экономики с гарантией стабильной поставки угля.