научная статья по теме КИНЕТИКА ТЕРМИЧЕСКОЙ ДЕСТРУКЦИИ КОМПОНЕНТОВ УГОЛЬНОЙ ШИХТЫ ЧЕРЕПОВЕЦКОГО МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМБИНАТА Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «КИНЕТИКА ТЕРМИЧЕСКОЙ ДЕСТРУКЦИИ КОМПОНЕНТОВ УГОЛЬНОЙ ШИХТЫ ЧЕРЕПОВЕЦКОГО МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМБИНАТА»

химия

ТВЕРДОГО ТОПЛИВА <4 • 2004

УДК 662.749

© 2004 г. Коновалова Ю.В., Трифанов В.Н., Гюльмалиев А.М., Гагарин С.Г., Султангузин И.А.

КИНЕТИКА ТЕРМИЧЕСКОЙ ДЕСТРУКЦИИ КОМПОНЕНТОВ УГОЛЬНОЙ ШИХТЫ ЧЕРЕПОВЕЦКОГО МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМБИНАТА

Приведены результаты термогравиметрического изучения и кинетической обработки термограмм угольного сырья коксохимического производства Череповецкого металлургического комбината (ЧерМК) ОАО "Северсталь" на примере 18 образцов углей (6 рядовых и 12 концентратов) с шахт и обогатительных фабрик Печорского и Кузнецкого бассейнов. Установлены взаимосвязи между кинетическими параметрами термической деструкции в воздушной среде (порядок суммарной реакции, предэкспоненциальный множитель, энергия активации) и показателями состава и свойств углей (выход летучих веществ, зольность, содержание отощающих микрокомпонентов, показатель отражения витринита). Показана возможность описания температурных кривых потери массы коксовых шихт по термограммам входящих в состав шихт угольных концентратов.

При создании коксохимического производства ЧерМК в качестве основной сырьевой угольной базы рассматривались хорошо коксующиеся пермские угли Воркутинского месторождения Печорского бассейна с небольшой добавкой (~14%) отощающих углей Кузбасса [1-3]. Если традиционная угольная шихта ЧерМК базировалась на преимущественном (>80%) использовании жирных, а также коксовых углей Печорского бассейна, то в 1980-х годах угли этих марок в шихте составляли соответственно 75 и 8% при участии 17% углей марок КО, КС, СС Кузнецкого бассейна [4]. К 2000 г. при сохранении тенденции повышения доли газовых жирных печорских углей в производственной шихте комбината до 25% возросло участие углей Кузнецкого бассей-

на [5]. При этом кузнецкие угли поступали с 10 обогатительных фабрик, 4 разрезов и 5 шахт.

В 2002 г. при проведении в течение 4 месяцев производственных испытаний на батареях № 4 и № 5-6 была установлена принципиальная возможность повышения в шихте комбината доли кузнецких углей до 90% при условии постоянного контроля марочного состава концентратов, поступающих с обогатительных фабрик Кузбасса [4, 6]. Было установлено, что для традиционной шихты ЧерМК характерна высокая устойчивость результатов к замене поставщиков концентратов сходного марочного состава. При этом несущественно меняются средние значения различных характеристик смесей (выход летучих веществ Ула 28.5-29.1%, толщина пластического слоя у ~ 15 мм, показатель отражения витринита Я0, г 1.08-1.10%). Индекс отощения шихты и коэффициент коксуемости по [7] также колеблются мало, составляя в среднем 1.16-1.17 и 5.53-5.56 соответственно. Достаточно стабильны к замене кузнецких концентратов разных фабрик и прогнозируемые по петрографической модели значения дробимости (М25 = 89.8-89.9%) и истираемости кокса (М10 = 7.64-7.73%). Все это свидетельствует о повышенной способности используемых на комбинате углей Печорского бассейна, составляющих ядро коксуемых шихт, к "поглощению" без драматических последствий определенного количества (до 30%) некондиционных кузнецких углей с широко варьируемыми показателями состава и свойств.

Однако при увеличении доли в шихте кузнецких концентратов непостоянного марочного состава указанное свойство печорских углей начинает постепенно ослабевать. Именно поэтому необходим жесткий контроль качества каждой партии угля, поступающей на комбинат с предприятий Кузбасса, поскольку для получения металлургического кокса высокого качества необходимо соблюдать совершенно определенные соотношения углей отдельных марок в шихте для коксования.

В настоящее время угольная продукция шахт Кузбасса, разрабатывающих по несколько пластов, как правило, представляет собой смеси, условный марочный состав которых определяется долевым участием разрабатываемых пластов в общей добыче. Поскольку эти смеси рядовых углей поступают далее на обогатительные фабрики, товарные концентраты представляют уже смеси на основе смесей [8]. Так, на ГОФ Коксовая, продукция которой используется при составлении шихт на коксохимическом производстве ОАО "Северсталь", концентрат вырабатывается на основе смеси углей 3-4 марок, поступающих с десяти и более шахт [9, 10]. Аналогична картина и с концентратами ГОФ Анжерская, ЦОФ Березовская, ЦОФ Зиминка и ЦОФ Сибирь, получение которых ведется при обогащении сложных многомарочных смесей.

В меньшей степени подвержена марочному колебанию продукция ЦОФ Абашевская и ЦОФ Антоновская. Согласно [10], помимо поставок на ЦОФ Абашевская жирных углей, добываемых шахтами Абашевская, Зырянов-ская и Осинниковская, на обогащение также поступает (в меняющемся от месяца к месяцу количестве) газовый жирный уголь шахты Есаульская. Кроме того, ряд пластов (16, 26а, 266), разрабатываемых шахтами Абашевская и Зыряновская, также сложены углем марки ГЖ [11].

Учитывая сложный, многокомпонентный состав угольного сырья, формальное отнесение его к той или иной марке по ГОСТ 25543-88 следует рассматривать как условное. В частности, по среднемесячным за 2003 г. значениям классификационных показателей Я0 г, ХОК (содержание отощающих компонентов), УЛа/ и у, определяющих соответственно класс, категорию, тип и подтип угля в соответствии с ГОСТ 25543-88 [7], марка концентрата ЦОФ Абашевская идентифицируется коксохимической лабораторией ОАО "Северсталь" либо как ГЖ, либо как Ж, что обусловливается, по-видимому, разным вкладом исходных рядовых углей, обогащаемых на фабрике.

Наибольшая чередуемость марочной принадлежности углей, поступающих на комбинат, характерна для концентрата ГОФ Анжерская, эффективная марка которого в зависимости от месяца поставки варьировала в 2003 г. от КС до СС и ТС. На оборудовании ГОФ Анжерская обогащают угли с разрезов Бачатский, Красный Брод, Черниговский, Кедровский, Тайбинский и др. [10]. По-видимому, в результате происходит смешивание в различном сочетании углей разных марок, что и приводит к колебаниям классификационных параметров концентрата, "плавающих" в пределах марок КС, СС и ТС.

Все это указывает на необходимость оперативного контроля качества поступающих на комбинат кузнецких концентратов как по параметрам технического анализа и пластометрии, так и по данным петрографического состава и распределения показателя отражения витринита. Это обеспечивает возможность разработки оптимального состава коксовых шихт при учете как сочетаемости спекающей способности печорских и кузнецких углей, так и их стоимости [4-6].

С этой целью в коксохимической лаборатории ОАО "Северсталь" проведено термогравиметрическое изучение 18 образцов угольного сырья, поступившего на комбинат в апреле 2003 г. с шахт и обогатительных фабрик Печорского и Кузнецкого бассейнов (в том числе образцы 6 рядовых углей и 12 концентратов). Данные технического и петрографического анализа исследованных углей, а также результаты пластометрии представлены в табл. 1.

Опыты проведены с подсушенными пробами углей (^а = 0.43-1.44%) при использовании прибора ТвЛ-601 корпорации ЬБСО. Удаление остаточной влаги проведено в самом приборе при температуре около 160°С в течение 15-20 мин, после чего с постоянной скоростью в = 34-38°С/мин образцы нагревали в среде воздуха до 850°С, фиксируя непрерывно на диаграмме по оси времени т значения потери массы Ат и температуры Т.

Полученные кривые Ат = /х(т) сканировали, оцифровывали и конвертировали в кривые зависимости потери массы от температуры Ат = /2(Т). С целью кинетической обработки этих зависимостей сформированы массивы данных с шагом по температуре 25-50°С. Значения Ат для температур Т > 850°С оценены с использованием логарифмической экстраполяции зависимостей Ат = /2(Т).

Предполагается [12], что кинетика суммарного процесса деструкции в общем случае характеризуется нецелочисленным порядком п и эффективной константой скорости к, зависящей от температуры по уравнению Аррениуса

к = к 0ехр (-Е/ЯГ), (1)

где к0 - предэкспоненциальный множитель, с-1; Е - энергия активации, кДж/моль; Т - абсолютная температура, К; Я - универсальная газовая посто-

Показатели состава и свойств углей и концентратов сырьевой базы ОАО "Северсталь"

Номер образца Шахта, фабрика, разрез Марка угля Технический анализ, % Пластометрия, мм Петрография, %

% Аа у<14 X У г VI ЪОК

1 Ш. Воргашорская ГЖО 6.9 20.2 1.87 37.1 38 14 0.808 74.7 28.8

2 ОФ Воркутинская Ж 4.2 9.2 0.58 32.1 21 18 0.973 71.3 26.7

3 Ш. Воркутинская Ж 7.9 25.8 0.59 34.2 26 18 1.008 80.2 17.9

4 ЦОФ Печорская Ж 7.0 8.7 0.64 32.5 37 16 0.937 79.1 19.6

5 ОФ Северная Ж 3.2 8.4 0.57 32.4 20 19 0.968 72.8 25.5

6 Ш. Северная Ж 7.1 22.0 0.53 33.7 34 21 0.984 78.1 20.6

7 Ш. Октябрьская Ж 7.0 17.4 0.59 34.0 26 15 0.880 75.0 24.0

8 ЦОФ Абашевская ГЖ 7.1 9.2 0.59 39.9 28 21 0.932 87.2 11.5

9 ЦОФ Антоновская ГЖ 8.4 9.3 0.57 37.7 25 21 0.834 89.4 9.9

10 ГОФ Анжерская КС 7.6 8.4 0.56 25.0 34 7 1.266 39.6 56.6

11 ЦОФ Березовская КО 6.8 9.2 0.57 25.5 34 11 1.148 46.8 49.8

12 Ш. Зенковская КС 6.0 14.9 0.34 18.3 22 6 1.360 34.0 65.0

13 ЦОФ Зиминка КСН 9.1 8.6 0.32 20.8 47 6 1.024 45.6 52.1

14 ГОФ Коксовая КС 6.8 7.4 0.35 21.9 35 9 1.297 46.9 48.8

15 Разрез Междуреченский ОС 6.4 10.7 0.30 20.8 23 10 1.418 39.1 57.0

16 Разрез Междуреченский КС 3.5 10.6 0.41 26.9 24 8 1.461 55.9 41.4

17 Ш. Первомайская ко 6.3 17.8 0.45 22.7 41 11 1.347 37.9 56.7

18 ЦОФ Сибирь КС 7.3 8.9 0.32 20.4 25 7 1.351 49.6 47.0

янная, кДж ■ моль-1 ■ К-1. Для безразмерного показателя концентрации С (С = 1 - Ат/100) уравнение кинетики деструкции органической массы угля (по координате температуры) записывается как

-Г = к°ехр (-Е/ ЯТ) Сп, (2)

интегральная форма которого представляется в виде [12]:

(3)

С = ехр \ ——— 1п 1 - п

кЕ 1- п)[ 1- П( х)]

РЯх2ехр (х)

где х = Е/ЯТ и функция П(х):

П( х) = 1- х + х2ехр (х)[ехр(—^^ йи. (4)

* и

х

Компьютерный алгоритм определения численных значений кинетических параметров п, к0 и Е по экспериментальным зависимостям Ат = /2(Т) подробно описан в работах [12, 13]. В общем случае подвергаемая деструкции органическая масса представляется двумя квазикомпонентами (I и II), преимуществен

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком