Материальный баланс доменной плавки 4 страница

Анализ развития экономики промышленных стран мира показывает, что с повышением технического уровня всех отраслей материального производства быстро растет и степень их химизации. Эта тенденция усиливается вследствие высокой эффективности производств, основанных на химических процессах, и высокой производительности труда в них, непрерывного роста потребностей народного хозяйства в материалах с новыми, уникальными свойствами.

С другой стороны, при больших масштабах химического производства высоки и выбросы в воздушный и водный бассейны, наносящие ущерб здоровью людей и природе. Борьба с вредными выбросами – важнейшая социальная и хозяйственная проблема.

9.2. Технология коксохимического производства

Кокс – твердый матово-черный, пористый продукт. Из 1 т сухой шихты получают 650-750кг кокса. Он используется главным образом в черной и цветной металлургии, литейном производстве, а также для газификации, производства карбида кальция, электродов, как реагент и топливо в ряде отраслей химической промышленности. Кокс должен обладать достаточной механической прочностью, так как он может разрушаться в металлургических печах под давлением столба шихты, что нарушает их нормальную работу, снижает производительность и т.п.; он должен обладать теплотворной способностью 31,4 – 33,5 МДж/кг. Кокс получают на коксохимических заводах путем разложения коксующихся углей без доступа воздуха. Показателями качества кокса является горючесть и реакционная способность. Первый характеризует скорость горения кокса, второй – скорость восстановления им двуокиси углерода. Оба эти процесса гетерогенные, скорость их определяется не только составом кокса, но и его пористостью, так как от нее зависит поверхность контакта взаимодействующих фаз. Качество кокса также характеризуется содержанием в нем серы, золы, влаги и выходом летучих.

Сера, содержащаяся в коксе, при доменной плавке переходит в чугун, ухудшая его качество. Допустимое содержание серы в коксе 1,2 – 1,7%. Зола в коксе - это балласт, и содержание ее равно примерно 17%. Выход летучих веществ из кокса составляет около 1,0%. В коксе допустимо до 5% влаги, так как увеличение влажности понижает его теплотворную способность.

Коксовый газ получается в количестве 310 – 340м3на 1 т сухого угля. Состав и выход коксового газа определяются главным образом температурой коксования. Из камеры, в которой проводится коксование, выходит так называемый прямой коксовый газ, содержащий газообразные продукты, пары каменноугольной смолы, сырого бензола и воды. После удаления из него смолы, сырого бензола, воды и аммиака получается так называемый обратный коксовый газ, который используется как сырье для химических синтезов. Помимо этого коксовый газ применяется для обогрева коксовых, сталеплавильных и других печей.

Каменноугольная смола – вязкая черно-бурая, со специфическим запахом жидкость, содержащая около 300 различных веществ. Наиболее ценными компонентами смолы являются бензол, толуол, ксилолы, фенол, крезолы, нафталин, антрацен, фенантрен, пиридин, карбазол, кумарон и др. Плотность смолы 1,7 – 1,20 г/см3. Выход смолы составляет от 3 до 4% от массы коксуемого сухого угля. Состав смолы зависит главным образом от температуры коксования, а выход – от температуры и природы исходных углей. С повышением температуры углубляется пиролиз углеводородов, что снижает выход смолы и увеличивает выход газа. Из каменноугольной смолы выделяют около 60 продуктов, используемых в качестве сырья для производства красителей, фармацевтических препаратов, инсектофунгицидов, пластических масс, химических волокон и т.п.

Сырой бензол – это смесь, состоящая из сероуглерода, бензола, толуола, ксилолов, кумарона и других веществ. Выход сырого бензола составляет в среднем 1,1% от массы угля. Выход зависит от состава и свойств исходного угля и температурных условий процесса. При разгонке из сырого бензола получают индивидуальные ароматические углеводороды и смеси углеводородов, служащие сырьем для химической промышленности.

Смола и сырой бензол служат главными источниками получения ароматических углеводородов для химической промышленности.

Надсмольная вода представляет собой слабый водный раствор аммиака и аммонийных солей с примесью фенола, пиридиновых оснований и некоторых других продуктов. Из надсмольной воды при ее переработке выделяется аммиак, который совместно с аммиаком коксового газа используется для получения сульфата -аммония и концентрированной аммиачной воды.

Коксование является одним из старейших химических производств. До середины XIX в. коксование проводилось для производства кокса для металлургии. Со второй половины XIX в. после получения в России Н.Н. Зининым анилина из нитробензола потребовались бензол, толуол, фонолы, крезолы, нафталин, антрацен и другие продукты, содержащиеся в каменноугольной смоле и сыром бензоле. Каменноугольная смола и сырой бензол превращаются из отходов производства в основные и важнейшие продукты. Почти на всех заводах строятся установки, на которых улавливаются каменноугольная смола и сырой бензол. Таким образом, создаются единые коксохимические производства.

Сырьем для коксования служат спекающиеся угли, которые дают прочный и пористый металлургический’ кокс, например коксующиеся угли марки К. В промышленной практике обычно составляется смесь – шихта, состоящая не только из коксующихся углей, ноиз углей других марок. Это позволяет расширить сырьевую базу коксохимической промышленности, получить качественный кокс и обеспечить высокий выход смолы, сырого бензола и коксового газа. В углях, используемых для коксования, количество влаги должно быть в пределах 5…9%, золы до 7%, серы до 2%.

Технологический процесс химического производства начинается с подготовки сырья и приготовления шихты. Поступающий на предприятие уголь разделяется по составу и свойствам на группы, дробится и перемешивается, затем проходит стадию обогащения путем грохочения, обеспыливания, флотации и других процессов с целью устранения посторонних примесей.

Далее компоненты шихты подвергаются сушке и окончательному дроблению до крупности зерен не более 3 мм. Подготовленные компоненты шихты подаются в смесительные машины и затем в бункеры-накопители угольной башни.

Готовая шихта определенными дозами высыпается в бункеры загрузочного вагона, который доставляет ее в камеры коксовой батареи (рис. 9.1).

Нагревание угля сопровождается физическими и химическими превращениями: до 250 °С испаряется влага, выделяются окись и двуокись углерода; около 300° С начинается выделение паров смолы и образование так называемой пирогенетической воды; выше 350°С уголь переходит в пластическое состояние; при 500-550°Снаблюдается разложение пластической массы с выделением первичных продуктов (газа и смолы) и твердение ее с образованием полукокса. Повышение температуры до 700°С приводит к разложению полукокса, выделению из него газообразных продуктов; выше 700°С преимущественно происходит упрочнение кокса. Летучие продукты, соприкасаясь с раскаленным коксом, нагретыми стенками и сводом камеры, в которой происходит коксование, превращаются в сложную смесь паров (с преобладанием соединений ароматического ряда) и газов, содержащих водород, метан и др. Большая часть серы исходных углей и все минеральные вещества остаются в коксе.

Рис. 9.1. Устройство коксовой батареи:

1 – коксовыталкиватель; 2 – газосборник; 3 – стояк; 4 – люк; 5 – загрузочный вагон; 6 – башня для тушения; 7 – герметичная дверь; 8 – рампа; 9 – тушильный вагон; 10 – газопровод; 11 – коксовая камера; 12 – регенератор; 13 – простенок; 14 – угольная башня 3000 т.

Устройство и работа коксовых печей – аппаратов косвенного нагрева, в которых тепло к коксуемому углю от греющих газов передается через стенку. Основным фактором, определяющим протекание процесса коксования, является повышение температуры, которое необходимо для нагрева шихты до температуры сухой перегонки и проведения эндотермических реакций коксования. Предел повышения температуры ограничивается снижением выхода смолы и. сырого бензола, изменением состава продуктов коксования, нарушением прочности огнеупорных материалов, используемых для кладки печей.

Коксовая печь или батарея (рис. 9.1.) состоит из 61-69 параллельно работающих камер 11, представляющих собой длинные, узкие каналы прямоугольного сечения, выложенные из огнеупорного кирпича (динаса). Каждая камера вмещает от 15 до 23т шихты, имеет переднюю и заднюю съемные двери, которые в момент загрузки камеры плотно закрыты и снимаются при выгрузке кокса. В своде камеры находятся загрузочные люки 4, которые открываются при загрузке угля и закрыты в период коксования. По рельсовому пути, расположенному над коксовыми камерами, перемещается загрузочный вагон 5, который через загрузочные люки подает шихту в коксовые камеры. Вдоль одной из сторон батареи по рельсовому пути перемещается коксовыталкиватель 1 – машина, которая после окончания процесса коксования вскрывает двери камеры и выталкивает образовавшийся кокс. С другой стороны по рельсовому пути перемещается тушильный вагон 9, который принимает раскаленный кокс, транспортирует его под башню тушения 6 и затем выгружает на рампу 8. Нагревание угля в камере происходит через стенки камеры дымовыми газами, проходящими по обогревательным простенкам, расположенным между камерами. Горячие дымовые газы получаются в результате сжигания доменного, обратного коксового или реже генераторного газов. Тепло дымовых газов, выходящих из обогревательного простенка, используется в регенераторах 12 для нагрева воздуха и газообразного топлива, поступающих на обогрев коксовых печей, в результате чего увеличивается тепловой кпд печи. При работе коксовой камеры для обеспечения равномерности прогрева угольной загрузки необходимо правильно выбрать габариты камеры и равномерно распределить греющие газы в обогревательном простенке. Ширина камеры обычно составляет 400-450 мм. Длина камеры ограничивается статической прочностью простенков, трудностью удаления кокса из камеры, сложностью распределения газов в обогревательном простенке. Длина камеры равна примерно 14м. Высота камеры определяется в основном условиями равномерного обогрева ее по высоте. С этой точки зрения удовлетворительные результаты получаются при высоте камеры около 5,5 м.

Равномерное распределение греющих газов достигается разделением обогревательных простенков вертикальными перегородками на ряд каналов, называемых вертикалами. По вертикалам движутся греющие газы, которые отдают тепло стенкам камеры и уходят в регенераторы. Разность температуры между греющими газами в обогревательном канале и угольной шихтой изменяется во времени. После загрузки камеры шихтой значение ее велико, в холодную шихту в единицу времени поступает большое количество тепла, и уголь у стенок камер начинает коксоваться. Однако средние слои шихты при этом остаются холодными.

По мере прогрева угля разность температур постепен-но уменьшается, количество передаваемого тепла в единицу времени падает, но все же вследствие непрерывного при-тока тепла от газов происходит постепенное повышение темпе-ратуры по сечению камеры. Поэтому состояние материалов в камере во время коксования (рис. 9.2): у стенок будет слой образовавшегося кокса, далее при снижении температуры от стенок к оси камеры распо-лагается слой полукокса, затем угля, находящегося в пласти-ческом состоянии, и наконец в центре камеры неизменная шихта. Через 12-14 ч темпе-ратура по сечению выравнивается, слои перемещаются к оси камеры и постепенно угольная загрузка прококсовывается. Таким образом, по окончанию процесса коксования нагревающие устройства отключаются, стояки переключаются, к дверям камеры подводится выталкиватель, который выгружает коксовый пирог в тушильный вагон, медленно движущийся вдоль батареи. Затем выталкиватель навешивает двери освободившейся камеры и отправляется к следующей камере, а загрузочный вагон открывает загрузочные люки и производит загрузку новой дозы шихты.

Продолжительность выгрузки-загрузки камеры составляет около 15 минут. Поэтому для рационального использования механизмов число камер в батарее доводят до 70.

Выгруженный кокс подвергается тушению, так как при соприкосновении с воздухом он загорается.

Тушильный вагон доставляет его в башню, где кокс гасится водой, а после тушения высыпается на рампу, где остывает в течение 20 минут. Остывший кокс транспортируется на сортировку.

Выход кокса составляет 70-80% от массы шихты. Производительность одной кокосовой батареи составляет около 1500т кокса в сутки. В зависимости от назначения кокс делится на доменный, литейный, энергетический (предназначенный для получения ферросплавов, карбида кальция, электродов, для агломерации железных руд).