Влияние избыточного давления процесса термической переработки бурого угля на водопоглощение полученного полукокса

INFLUENCE OF THE EXCESS PRESSURE OF THE PROCESS OF THERMAL PROCESSING OF BROWN COAL ON THE WATER ABSORPTION SEMI-COKE

Dmitry Loginov

PhD (Engineering), Head of R&D, Branch of “Sibniiugleobogashenie” LLC in Krasnoyarsk, Russia, Krasnoyarsk

Sergey Islamov

Doctor of Engineering Sciences, Chief Engineer, Branch of “Sibniiugleobogashenie” LLC in Krasnoyarsk, Russia, Krasnoyarsk

Artem Chernykh

Project manager, Branch of “Sibniiugleobogashenie” LLC in Krasnoyarsk, Russia, Krasnoyarsk

Abstract. The process of semi-coking of brown coal of grade 2B under external overpressure of gases in the range of 0-40 bar is investigated. The dependence of the water absorption product on the process pressure, temperature and heating time is established.

Аннотация. Исследован процесс полукоксования бурого угля марки 2Б под внешним избыточным давлением газов в диапазоне 0 – 40 бар. Установлена зависимость водопоглощения получаемого продукта от давления процесса, температуры и времени нагрева.

Ключевые слова: уголь; буроугольный полукокс; давление; термообработка; выход летучих веществ; водопоглощение; теплота сгорания.

Keywords: coal; brown coal semi-coke; pressure; thermal treatment; yield of volatile matter; water absorption; net calorific value.

По причине низкой теплоты сгорания и низкой стоимости транспортировка бурых углей на дальние расстояния нерентабельна, что, в свою очередь, ограничивает добычу таких углей. Наиболее актуальным направлением развития добычи бурых углей является переработка в полукокс, однако и в этом случае транспортировка затруднительна по причине мелкого размера частиц получаемого продукта. Самый дешевый вид наземной транспортировки – навалом в железнодорожных вагонах. При таком способе возникает дополнительная проблема – полукокс активно поглощает влагу из воздуха и от осадков, что существенно снижает его теплоту сгорания. В тоже время целевое направление использования полукокса – углеродистый восстановитель в металлургических процессах[1], и наличие влаги в полукоксе приводит к дополнительным энергозатратам на ее испарение.

В работе исследован технологический процесс производства кускового полукокса из бурого угля, который заключается в термообработке исходного угля в закрытом реакторе под избыточным давлением газовой фазы. В процессе нагрева угля угольная матрица размягчается и под воздействием внешнего давления газа сжимается, в результате чего снижается общий объем пор кусков угля, что позволяет получить кусковой продукт, обладающий сниженным водопоглощением.

Типичные характеристики использованного в экспериментах угля приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Технический и элементный состав исходного угля, %

Применение в составе шихты углеродистого восстановителя с содержанием остаточных летучих веществ V^daf около 15 % будет сопровождаться снижением склонности колошникового слоя шихты к спеканию и, как следствие, повышением его газопроницаемости и снижением удельного расхода электроэнергии[2]. При этом улучшаются механические свойства верхнего колошникового слоя шихтовой композиции, разрыхляясь в результате выделения из восстановителя летучих веществ в диапазоне температур слипания размягчаемых частиц рудного сырья.

С целью определения необходимой температуры нагрева для получения продукта с указанным содержанием летучих веществ были проведены эксперименты с нагревом до различных температур в диапазоне до 600 °С. Как показано на рис. 1, искомая температура составляет 570 °С и дальнейшие исследования проводились при указанной температуре.

Рисунок 1. Зависимость выхода летучих веществ от температуры

Затем была исследована зависимость водопоглощения (ГОСТ 17219-71) от давления процесса и времени нагрева, так как скорость нагрева влияет на протекание пиролиза в массе угольных частиц[3]. При нагреве угля вследствие термической усадки за счет высыхания и пиролиза происходит растрескивание угольных частиц, что, в свою очередь, приводит к увеличению общего объема пор и водопоглощения. Как показано на рис. 2, увеличение времени нагрева с 2.5 до 12.5 ч не влияет на водопоглощение полукокса. Также, исследуемый параметр для каждого отдельного эксперимента с заданным давлением практически не отличается. Однако увеличение внешнего давления позволяет достичь двукратного снижения для водопоглощения: с 12 % при атмосферном давлении до 6 % при давлении 20‑40 бар.

Рисунок 2. Зависимость водопоглощения от давления и времени нагрева до 570 °С

Как видно из представленных результатов, водопоглощение практически не зависит от времени нагрева, а зависит от избыточного давления процесса. Термическая обработка угля под давлением позволяет получить кусковой полукокс из бурого угля с низким водопоглощением при более высокой скорости нагрева угольной засыпки, чем при атмосферном давлении, что позволяет в разы увеличить производительность процесса.