Топливная база черной металлургии и эффективность использования топливно-энергетических ресурсов.

Лекция Тема 4

 

4.1. Основные виды топлива, потребляемые в черной металлургии.

 

Топливо - это горючие вещества, основной составной частью которых является углерод, применяемые с целью получения при их сжигании тепловой энергии. По происхождению топливо делится на природное (нефть, уголь, природный газ, горючие сланцы, торф, древесина) и искусственное(кокс, моторное топливо, генераторные газы), по агрегатному состоянию - на твердое, жидкое и газообразное. Основная характеристика топлива - теплота сгорания. Для сопоставления различных видов топлива и суммарного учета его запасов принята единица учета -- условное топливо, для которого низшая теплота сгорания принята 29,3 МДж/кг. (7000 ккал/кг.). В связи с развитием техники термин «топливо» стал применяться в более широком смысле и распространяться на все материалы, служащие источником энергии (например, ядерное топливо, ракетное топливо).

Предприятия отраслей промышленности, занятых добычей и переработкой различных видов топлива объединяются в топливную промышленность. В нее включаются отрасли: угольная, нефтедобывающая, нефтеперерабатывающая, газовая, сланцевая, торфяная. В 2002 г. доля продукции отраслей топливной промышленности в общем выпуске промышленной продукции в стоимостном выражении составляла 15,5%, доля черной металлургии 6,5%.

Черная металлургия является одним из крупнейших потребителей топлива в стране. Расход топлива (включая коксующиеся угли) в черной металлургии составляет около 20 % от всей его добычи (с учетом электроэнергии - 10%).

В структуре топливного баланса черной металлургии кокс и его побочные продукты составляют около 60%, а природный газ - 35%. Основным потребителем топлива является доменное производство. На его долю приходится почти 40% всего потребляемого топлива в отрасли, а на производство прокатной продукции расходуется примерно 10%. Большое количество топлива расходуется для производства энергетической продукции - кислорода, пара, сжатого воздуха и др.

Топливо в черной металлургии используется на технологические и энергетические нужды. Технологическое топливо используется для плавки металла и подогрева заготовки. Для производства одной тонны чугуна требуется примерно 600кг. условного топлива, мартеновской стали - 130-140кг., проката и труб - 125, агломерата и окатышей - 55-60 кг. условного топлива.

В перспективе в структуре топливного баланса возможно увеличение доли природного газа, а также уменьшение доли собственных энергетических ресурсов -

доменного и коксового газа. Такое перераспределение в расходовании топлива будет связано с усовершенствованием доменного процесса и стабилизацией производства чугуна за счет: во-первых, повышения доли металлолома в производстве стали; во-вторых, развитие производства содержащих материалов в не доменных печах, в так называемых печах прямого восстановления железа.

 

4.2. Коксохимическое производство и его сырьевая база.

 

Основным топливом доменной плавки железосодержащих материалов является кокс - кусковый пористый материал(содержание углерода до 96%), получаемый при коксовании природных топлив - главным образом, каменного угля. Для производства одной тонны кокса требуется примерно 1,5 т. каменного угля.

Каменный уголь - ископаемый уголь средней степени углефикации; содержит в горючей массе от 75 до 97% углерода, от 9 до 45% летучих веществ; теплота сгорания 30,1-36,6 МДж/кг. (7200-8750 ккал/кг.). По выходу летучих веществ и спекаемости подразделяется на марки: длиннопламенные (Д), газовые (Г), газо-жирные (ГЖ), жирные (Ж), коксово-жирные (КЖ), коксовые(К), отощенно-спекающиеся (ОС), тощие (Т), слабоспекающиеся (СС).

В России имеются два крупных угольных бассейна, которые являются основной базой снабжения черной металлургии коксующимися углями: Кузнецкий и Печерский. Завозится уголь или кокс с предприятий, работающих на Донецком (Украина) и Карагандинском (Казахстан) угольных бассейнов.

На базе углей Кузнецкого бассейна работают коксохимические заводы западной Сибири и Урала. Эти угли являются малосернистыми и имеют сравнительно небольшую зольность, но имеют повышенное содержание фосфора. На базе углей Печорского бассейна работает коксохимический цех Череповецкого металлургического комбината. Часть печорского угля поставляется Новодонецкому металлургическому комбинату и предприятиям Урала. Коксующиеся угли имеются в Восточной Сибири, но запасы их пока имеют местное значение (Тунгусский бассейн).

Обогащение и подготовка углей к коксованию. На мощных коксо-химических заводах, как правило, имеются собственные углеподготовительные цехи. Такая комбинация позволяет значительно расширить сырьевую базу коксования путем вовлечения в состав шихты углей ранее считавшихся непригодными. В частности, на фабриках Кузнецкого бассейна начали вводить в шихту для коксования газовые и частично даже тощие угли.

В связи с разработкой на угольных шахтах более бедных пластов соответственно увеличилось содержание золы в рядовых углях для коксования. Сейчас зольность углей составляет более 20%. Такие угли требуют обогащения с целью улучшения качества кокса по содержанию золы.

Поступающий на коксохимические заводы каменный уголь имеет высокую влажность, а зачастую и в замерзшем состоянии. Поэтому, в начале вагоны с углем размораживают в специальных помещениях, затем уголь обезвоживается и сушится. Такая ситуация складывается на Череповецком металлургическом комбинате, когда поступает уголь маршрутными поставками - по несколько сот вагонов с угольных шахт Воркуты Печорского бассейна.

В углеподготовительных цехах широко используются роторные вагоноопрокидыватели для механизации разгрузки железнодорожных вагонов. На ряде заводов даже сооружены механизированные склады, оснащенные мостовыми перегружателями. Также смонтированы устройства для пневматического обрушения угля в бункерах.

Уже в 60-х годах повсеместно осуществлено раздельное дробление мягких и твердых углей, а также крупного и мелкого концентратов. Мощности углеобогатительных фабрик были увеличены и построены новые сушильные отделения. В настоящее время все фабрики оснащены высокопроизводительным оборудованием (грохоты, отсадочные и флотационные машины, центрифуги, насосы и др.), что позволило перейти к однопоточным схемам работы и создать оптимальные условия для автоматизации и механизации всего процесса углеобогащения.

Непрерывное совершенствование техники обогащения и технологии подготовки углей к коксованию способствовало улучшению технико-экономических показателей работы углеобогатительных фабрик и углеподготовительных цехов. Сейчас в шихту вводится до 30% слабоспекающихся (газовых и тощих) углей, но на механическую прочность кокса это не отразилось. Несмотря на повышение зольности рядовых углей, выход концентрата на углеобогатительных фабриках не сказался, а содержание в нем золы осталось практически без изменения. Эти и другие мероприятия позволили сократить потери чистого угля с породой и оказало влияние на сокращение срока окупаемости капитальных вложений в углеобогащение и в углеподготовку материалов к процессу коксования.

Требования, предъявляемые к составу и свойствам кокса. Теоретически наилучшим коксом является тот, в котором содержится углерода 96%. На практике имеются существенные отклонения от теоретических характеристик как самих добываемых углей, так и углесодержащих материалов, предназначенных для коксования. Средние показатели по стране в отношении состава кокса: углерод 83-88%; зола 8-13%; летучие вещества 0,7-1,5%; влага 0,5-5%; сера 0,4-1,8%, фосфор 0,02-0,05%. Кокс хорошего качества светло-серого цвета и при ударе куска о кусок издает легкий звонок. Удельное количество тепла при сгорании кокса 28000-31500 кДж/кг.

В 2002 г. в России произведено кокса примерно 30 млн.т. При продаже его цена составляла 480,5 кг. Чугун стоил 2544 руб. за тонну. Значит в цене тонны чугуна присутствует 894 руб. или 35% стоимости кокса.

Наряду с высокой теплотой сгорания кокс как доменное топливо должен обладать определенным комплексом свойств:

1. Высокая прочность, чтобы кокс не был раздавлен столбом вышестоящей шихты в печи и не истирался при движении сверху от колошника вниз до фурм, а также высокая термостойкость, чтобы он не растрескивался при нагреве. В случае измельчения в печи кокса сильно снижается газопроницаемость шихты. Показателем прочности кокса служит величина выхода класса более 40 мм. (показатель М40) и менее 10 мм. (показатель М10), выраженный в процентах. Величина М40 должна составлять 72-82%, аМЮ 8,5-10%.

2. Малое содержание золы, основными составляющими которой является 81О2 и А12Оз (песок и глина). Для их ошлакования в доменной печи необходимо увеличивать расход флюса, что увеличивает количество шлака. Увеличение зольности на.1% вызывает снижение производительность печи на 1,3% и увеличивает расход самого кокса на 1,3%. Зола также снижает прочность кокса. Кокс должен обладать неспекаемостью в условиях доменного процесса.

3. Размер кусков должен быть от 25 до 60 мм. Загружать в печь более мелкий кокс недопустимо, так как при этом ухудшается газопроницаемость шихты.

4. Малое содержание вредных примесей серы и фосфора. Содержание фосфора в коксе невелико - менее 0,05%. Для перевода при плавке поступающей с коксом серы в шлак необходимо увеличивать расход флюса, что ведет к снижению производительности печи и увеличению расхода кокса. Количество серы в коксе определяется её содержанием в исходном угле. Кокс из кузнецких, печерских, карагандинских углей содержит 0,4-0,7% серы, кокс из донецких углей 1,4-1,8%.

5. Малое и, особенно важно, постоянное содержание влаги. Игнорирование колебания количества влаги во взвешиваемом коксе при его дозировании приведет к тому, что действительное количество поступающего в доменную печь кокса будет отличаться от расчетного, а это нарушит заданный режим работы печи. При сухом тушении влажность кокса составляет 0,4-1%, при тушении водой 2-5%.

6. Высокая пористость, благодаря чему достигается высокая скорость сгорания кокса. Обычно пористость кокса находится в пределах 37-53%.

Вследствие своей прочности, термостойкости (способности не растрескиваться) и способности не спекаться кокс сохраняет форму кусков на всем пути движения шихты от колошника до горна. Благодаря этому кокс разрыхляет столб шихты в печи, обеспечивает необходимую её газопроницаемость. В нижней части печи (в заплетнах и горне) только кокс остаётся в твёрдом состоянии, образуя как бы подвижную дренажную решётку (коксовую насадку), через которую в горн стекают жидкие продукты плавки, а вверх проходят газы.

Именно поэтому естественные твёрдые виды топлива не пригодны для доменной плавки вследствие низкой термостойкости и из-за склонности к спекаемости. Кокс не может быть заменён другим топливом. Возможна лишь частичная замена кокса газообразным, жидким и пылеугольным топливом.

Как топливо кокс, сгорая у фурм, обеспечивает доменную печь теплом, необходимым для нагрева и расплавления шихты и протекания процессов восстановления железа из оксидов. Кроме того, углерод кокса является восстановителем и служит для науглероживания железа, а продукт сгорания кокса - газ СО также является восстановителем.

 

4.3. Технико-экономическая характеристика коксохимического производства и

основные направления его развития.

 

Процесс коксования. Кокс получают сухой перетопкой (нагревом до 1100°С без доступа воздуха) коксующихся каменных углей в коксовых печах, представляющих собой камеры из динасового кирпича высотой 5-7 м., длинной 15-17 м. и шириной 0,4-0,45 м. Их объём составляет 30-42 м³. В камеру объёмом 30 м³ загружают 22 т. шихты. Плоские камеры объединены в коксовые батареи по 60-80 параллельно расположенных камер. С торцов каждая камера герметично закрыта от доступа атмосферного воздуха съёмными дверями, а в своде камер 3-4 люка для загрузки шихты из бункеров загрузочного вагона. Производительность батареи (всех камер) достигает 2000 т. в сутки.

Коксовые печи отапливаются доменным и коксовым газами, сжигаемыми в простенках между камерами - в вертикалях. Для получения высокой температуры пламени (1400°С) воздух и доменный газ перед подачей в вертикалы (между камерами) нагревают в регенераторах. Из регенераторов нагретый воздух и доменный газ поступают в вертикалы, а дымовые газы через борова уходят в трубу.

Для коксования применяют коксовые, паровично-жирные, паровично-спекающиеся и газовые угли. Но предварительно уголь дробят и обогащают для снижения зольности. Далее составляют шихту, смешивая разные угли в требуемом соотношении. Затем шихту подвергают окончательному дроблению и помолу и направляют в распределительную башню. В шихте должны быть фракции размером менее 3 мм, так как это способствует получению кокса с меньшим количеством трещин.

Коксование загруженной в камеру шихты длится 14,5-16 ч. В процессе нагрева при температуре 350-500°С происходит размягчение и плавление угля и начинается сильное выделение летучих веществ, которые вспучивают массу и делают её пористой. При температуре 500-600°С масса интенсивно разлагается с выделением летучих. По мере их выделения в массе возрастает содержание углерода, увеличивается вязкость массы и она затвердевает, переходя в полукокс. При дальнейшем нагреве до 1100°С выделяются все летучие и аморфный (не имеющий кристаллического строения) углерод превращается в кристаллический графит, обладающий высокой твёрдостью и прочностью. Спекшийся кокс (его называют коксовый пирог) после открытия торцевых дверей камеры с помощью штанги коксовыталкивателя в тушильный вагон. Далее этот вагон доставляют в специальную башню, где кокс заливают водой, либо на установку сухого тушения, где кокс охлаждают потоком азота.

После водяного тушения кокс из тушильного вагона выгружают на конвейер, доставляющий кокс в доменный цех. Сухое тушение, внедряемое в последние годы, считается предпочтительнее по следующим причинам: во-первых, уменьшается растрескивание кокса, т. е. уменьшаются потери в виде мелочи; во-вторых, снижается влажность кокса (0,5-1% вместо 2-5% при тушении водой); в-третьих, тепло нагретого азота используется для выработки пара, а при тушении водой тепло безвозвратно теряется. А ведь при выгрузке горячего кокса в нём содержится 50% тепла, затраченного на весь процесс коксования.

Выделяющиеся из коксовой печи (камеры) летучие (их называют «грязный коксовый газ» в количестве 300-320 м³ на тонну шихты) направляют в химические цехи, где из них извлекают смолы, аммиак и бензол, из которых при дальнейшей переработке получают до 500 других ценных продуктов (лаки, краски, растворители, лекарства и др.). После химических цехов очищенный коксовый газ имеет теплоту сгорания 16,8-18,4 мдм/м³. Газ используется в качестве топлива на самом металлургическом заводе, но не на технологические нужды, поскольку он всё же имеет нежелательные примеси.

Развитие коксохимического производства характеризовалось увеличением размеров печных камер по высоте и по длине, совершенствованием отопительных систем и конструктивных элементов печей. В конце 40-х годов основное внимание уделялось увеличению числа печей в батарее и повышению мощности самих батарей. Строительство коксовых батарей с печами большой ёмкости наряду с увеличением выпуска продукции и повышения производительности труда дает значительную экономию на капиталовложениях и оборудовании.

В конце 60-х начале 70-х годов наращивание мощностей по производству кокса осуществлялось в основном путём сооружения коксовых батарей с печами большой ёмкости. Мощности действующих коксовых батарей увеличивались путём реконструкции на 40% за счет увеличения высоты печных камер до 6 м. Были созданы новые печи с нижним подводом и регулированием расхода отопительных газов и воздуха.

В последующие годы при строительстве новых коксовых печей совершенствовалась и технология растопки, регулирования обогрева и режима эксплуатации печей. Внедрён гидравлический режим работы коксовых печей, что позволило улучшить равномерность их обогрева, значительно повысить продолжительность их эксплуатации за счет сокращения межремонтных циклов.

На всех коксохимических заводах внедрён цикличный метод эксплуатации печей, позволяющий останавливать выдачу кокса для ремонта машин без снижения производительности печей и нарушения периода коксования; улучшены конструкции дверей, рам и брони, обеспечивающие надёжное армирование головок печей.

К началу 70-х годов в стране было построено семь установок сухого тушения кокса с котлами-утилизаторами. Отличительная особенность этих установок высокая производительность, выработка пара высоких параметров (избыточное давление 40ат и температура нагрева 450°С), высокая скорость охлаждения. На коксе сухого тушения доменные печи работают более производительнее и даже снижается его расход.

Освоена и широко внедрялась бездымная загрузка коксовых печей, которая обеспечивает не только улучшение условий труда, но и сохранение кондиционных качеств смолы и коксового газа.

В современных коксовых цехах механизированы и автоматизированы многие производственные процессы, ранее выполнявшиеся вручную. Автоматизированы набор шихты под угольной башней и управления затворами башни, процесс пневмообрушения шихты, съем и установка крышек загрузочных люков, подъем и опускание телескопов за наблюдением процесса коксования, закрывание и открывание шиберов в бункерах загрузочного вагона по заданной программе очередности их разгрузки. Современный углезагрузочный вагон по существу является комбайном для обслуживания верха коксовых батарей. Имеются углезагрузочные вагоны, работающие без машиниста.

Автоматизированы так же отключение и подключение печей к газосборникам, удаление из них смолы, тушение кокса и работа коксовых рамп. На коксовыталкивателях и двересъемниках машинах установлены механизмы для чистки дверей, рам и броней, отвинчивания и завинчивания регельных винтов, открывания и закрывания планарных дверец.

Основным направлением в области новых способов и аппаратуры для производства кокса считается освоение непрерывного процесса получения формованного металлургического кокса заданных размеров из недефицитных газовых и слабоспекающихся углей. Освоение этого процесса позволит резко расширить сырьевую базу коксования.

Производство химических продуктов коксования. Химические цеха коксохимических предприятий черной металлургии развивались в направлении наращивания мощностей, модернизации оборудования, внедрения новой технологии, увеличение ассортимента выпускаемой продукции и повышение ее качества, а также улучшение условий труда.

На всех новых коксохимических заводах установлены механизированные осветители для удаления фусов из смолы. Отсос коксового газа осуществляется мощными газодувками большой производительности. Для тщательной очистки коксового газа от смолы применяют электрофильтры.

Из аммиака коксового газа производится сульфат аммония. В сульфатных цехах взамен центрифуг периодического действия, эксплуатация которых требует затрат ручного труда, применяются автоматические непрерывного действия центрифуги. Внедрен высокоэффективный процесс извлечения аммиака в установках скрубберного типа с получением крупнокристаллического сульфата аммония. Для его сушки используется высокопроизводительные аппараты с применением «кипящего слоя».

На коксохимических предприятиях широкое распространение получил мокрый мышъяково-щелочной метод очистки коксового газа от сероводорода с получением элементарной серы. С середины 50-х годов этот метод был усовершенствован с целью получения серной кислоты.

Новые цеха ректификации сырого бензола рассчитаны на большую производительность и непрерывные процессы с получением чистого бензола и других продуктов. Бензол - простейший ароматический углеводород; бесцветная жидкость; температура кипения 80,1°С. Применяется для получения анилина, фенола, стирола, капролактана, взрывчатых веществ, интектицидов и многих других; используется как растворитель, например, жиров.

Для очистки бензола от сернистых соединений вместо периодически действующих аппаратов применяют аппараты непрерывного действия. При этом значительно улучшатся качество продукта и снижаются его потери. В новых цехах ректификация бензола в отличии от старых цехов основное оборудование размещается на открытом воздухе. Это позволило снизить капитальные затраты на строительство и улучшения условия труда.

В цехах ректификации сырого бензола производят: бензол для нитрации, бензол бессернистый, бензол для синтеза и др.

Для переработки всей получаемой на коксохимических предприятиях каменноугольной смолы построены мощные смолоперегонные цехи с трубчатыми агрегатами непрерывного действия по двухколонной схеме. Увеличение спроса на нафталин, фенолы и другие продукты обусловило необходимость усовершенствования процессов переработки каменноугольной смолы. Кристаллизация нафталиновой фракции осуществляется по схеме: барабанный кристаллизатор-пресс. В результате повышения технического уровня переработки каменноугольной смолы возросла степень извлечения нафталина. Для переработки антраценовой фракции установлены механические кристаллизаторы и автоматические центрифуги. При переработки смолы получают каменноугольный пек (от голл. - смола). Пеки - это твердые или вязкие черные остатки перегонки дегтей или смол, образующихся при термической перегонке твердых топлив (углей, торфа, горючих сланцев, древесины) или при пиролизе нефти (пек нефтяной). Используется пек для изготовления электродов и пекового лака, как связующее при брикетировании твердых топлив, как гидроизоляционный материал в производстве толя и рубероида.

Получение высококачественной фракции каменноугольной смолы позволило создать базу для расширения ассортимента химических продуктов коксования, являющихся сырьем для химической промышленности.

Ассортимент выпускаемых химических продуктов коксования непрерывно расширялся. В середине 60-х годов он включал в себя 130 наименований, в начале 70-х годов - около 200, а в настоящее время он увеличился почти до 500 наименований.

Общие выводы. Продукцией коксования является кокс и коксовый газ. Кокс используется для выплавки чугуна как топливо и как необходимый элемент при восстановление железа из руды в доменной печи. Из коксового газа извлекают химические продукты: смолы, бензол, сероводород, синильную кислоту, этилен и т.д. Более или менее очищенный коксовый газ используется для энергетических целей самого предприятия и для бытовых целей.

Коксование каменного угля практически процесс безотходный, но при полном улавливании продуктов коксования и прежде всего коксового газа. Общие затраты на получение одной тонны кокса сопоставимы с затратами на производство одной тонны чугуна (без затрат кокса). Цена кокса в 2002 г. в одной тонне чугуна равнялась 894 руб., а цена одной тонны чугуна 2544 руб. или без стоимости кокса 1760 руб. Цена же одной тонны кокса была даже выше - 1860 руб.

Дальнейшее повышение эффективности коксохимического производства может прогнозироваться в следующих направлениях:

Более широкое применение термической сушки углей с целью достижения влажности в пределах 9-10%, что позволит увеличить долю углей мелкого класса с высоким содержанием влаги и применять более дешевые угли.

Совершенствование технологии подготовки шихты для коксования и более широкое применение трамбования, частичного брикетирования, гранулирования, обмасливания. Все эти методы позволяют получать более уплотненную шихту. Обмасливание не требует больших затрат. Но в условиях современного коксохимического завода это может давать значительное снижение себестоимости кокса за счет повышения производительности коксовых батарей.

Применение более качественных огнеупоров обеспечивает увеличение объема камер коксования, повышение температуры коксования и, как следствие, сокращение периода коксования.

Более широкое применение технологии сухого тушения кокса. Температура готового кокса при выходе из печи составляет 1000-1500°С и содержит 50% тепла, затраченного на процесс коксования. Установки сухого тушения кокса позволяют использовать это тепло.

Создание и внедрение коррозионноустойчивых и износоустойчивых материалов для повышения надежности и долговечности машин оборудования.

Организация производства специальных сортов кокса из недефицитных слабоспекающихся углей для ферросплавной промышленности, цветной металлургии, химической промышленности и бытовых потребителей.

Развитие новых и совершенствование существующих методов улавливания химических продуктов путем освоения новых технологических схем переработки бензола, смол и других попутных продуктов.

Разработка методов сокращения и обезвреживания (очистку) выбросов в атмосферу и водоемы.

Проведение теоретических исследований по изучению свойств каменных углей, принципов составления угольной шихты и механизма процесса коксования.

Создание новых технологических процессов и оборудования для получения кокса заданных свойств и расширения сырьевой базы коксования за счет использования слабококсующих углей.

Весьма перспективным прогнозируется такое направление развития коксохимического производства, которое бы отвечало современным требованиям высоких технологий, оснащение компьютерной техникой в процессе коксования по заданной программе в автоматическом цикле в режиме дистанционного управления.

При возможной стабилизации производства чугуна, стабилизации производства кокса не предвидится. Кокс по своему назначению и как технологический материал и как топливо имеет большое экспортное будущее. В 2002 г. из общего производства на экспорт кокса было поставлено почти 10%, а чугуна 7,5%.

Кокс можно рассматривать как наиболее конкурентоспособный продукт черной металлургии, поскольку он имеет большой спрос как на внутреннем, так и на внешнем рынке.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: