способ обработки доменного кокса

Формула изобретения

Способ обработки доменного кокса путем нанесения бората на куски доменного кокса, отличающийся тем, что после выгрузки из коксовой печи, гашения и сортировки куски доменного кокса, имеющие температуру 20-50°С, обрабатывают разбрызгиванием 2-20%-ного водного раствора бората, выбранного из ряда: тетраборат натрия, тетраборат калия, тетраборат кальция, причем для обработки применяют такой объем раствора, чтобы количество сухого бората в коксе отвечало 0,05-0,50 мас.% в пересчете на кокс.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области коксохимического и доменного производства.

В современном производстве качество доменного кокса должно отвечать международным стандартам по показателям CSR - прочность кокса после реакции и CRI - индекс реактивности кокса. При определении показателей CSR и CRI руководствуются стандартом ASTM: D5341-99.

В производстве кокса улучшение его механической прочности, в основном, достигают с помощью способов, основанных на подготовке угольной шихты для коксования путем варьирования ее марочного состава, трамбования, брикетирования, термообработки и обработки разными органическими и неорганическими добавками и т.п. Тем не менее, эффективность таких технологий неудовлетворительная из-за ограниченности выбора марок угля, зависимости показателя прочности кокса от качества применяемой шихты, неудовлетворительного соотношения реактивности и прочности полученного кокса и т.п.

Более эффективные в этом смысле технологии улучшения показателей CSR и CRI путем химической обработки готового кокса.

Ближайшим к предлагаемому способу по сути и достигнутому результату является избранный в качестве прототипа известный способ обработки доменного кокса, который включает нанесение на горячие куски кокса (t 850°C) мелкодисперсного твердого неорганического соединения распылением с помощью предварительно нагретого газового потока (GB 1423187, 1976-01-28, ISC SMELTING, МПК: C10L 9/10; C10L 9/00). Согласно известному способу в качестве неорганического соединения для нанесения на кокс применяют борную кислоту или бораты. При этом происходит деактивация кокса в реакции с кислородом (О ₂) и углекислым газом (СО₂) за счет образования при высокой температуре защитной пленки из расплавленных боратов на поверхности кусков кокса.

К недостаткам известного способа относятся:

- недостаточная эффективность технологии, которая выражается в незначительном снижении реактивности кокса (CRI) и несущественном увеличении прочности кокса после реакции (CSR);

- неэкономичность технологии, поскольку для осуществления процесса образования на поверхности кокса защитной пленки необходима высокая температура ( 850°С). Это требует дополнительной затраты тепла (значительного дополнительного расхода углеводородов для поддержания необходимого высокого температурного режима);

- сложность аппаратного оформления процесса нанесения неорганического вещества на кокс, термообработки и осуществления контроля над ходом процесса нанесения защитной пленки на кокс (применения газовых форсунок, распылителей порошка боратов, высокотемпературных реакторов, контролирующих приборов и т.п.);

- повышенная опасность для окружающей среды и здоровья обслуживающего персонала использования мелкодисперсной твердой борной кислоты или боратов при высоких температурах.

В основу изобретения поставлена задача в способе обработки доменного кокса путем нанесения на его куски водного раствора тетрабората обеспечить повышение прочности кокса после реакции (CSR) и снижения его реактивности (CRI).

Поставленная задача решается тем, что в способе обработки доменного кокса наносят борат на куски доменного кокса.

Новым в способе является то, что после выгрузки из коксовой печи, гашения и сортировки куски доменного кокса, имеющие температуру 20-50°С, обрабатывают разбрызгиванием 2-20%-ного водного раствора бората, выбранного из ряда: тетраборат натрия, тетраборат калия, тетраборат кальция, причем для обработки применяют такой объем раствора, чтобы количество сухого бората в коксе отвечало 0,05-0,50% (мас.) в пересчете на кокс.

Между совокупностью признаков изобретения и техническим результатом, который достигается при его реализации, существует причинно-следственная связь.

Согласно заявляемому способу доменный кокс обрабатывают водным раствором бората, поскольку последний отвечает основным обусловленным производственным процессом требованиям: расплавляться без выпаривания при высоких температурах (>600°С), быть индифферентным относительно окислительных газов. Положительное действие боратов на улучшение качественных показателей CSR и CRI кокса обусловлено тем, что при температурах выше 500°С бораты плавятся, переходя в жидкое состояние. Большинство боратов при охлаждении их расплавов легко образовывает твердую, довольно прочную пленку в виде аморфного стекла. Таким образом, борат, находясь на поверхности или в объеме кокса и подвергаясь общему с коксом нагреванию (в доменной печи), расплавляется, создавая на кусках кокса защитный слой, который предохраняет кокс от влияния окислительных газов. В качестве бората согласно изобретению используют тетраборат щелочного или щелочноземельного металла: тетраборат натрия (Na₂B ₄O₇·10Н₂ О или Na₂B₄O ₇·5Н₂О), тетраборат калия (К ₂В₄O₇·4H ₂O) или тетраборат кальция (СаВ₄O ₇). Эти соли, кроме прочего, являются дешевым и доступным сырьем.

В отличие от известного способа-прототипа, по условиям которого кокс обрабатывают борной кислотой или боратом при температуре 850°С (необходимое условие для получения на коксе защитной пленки), обработку кокса согласно заявленному способу осуществляют при более низкой температуре. Температура обработки кокса 20-50°С обусловлена не требованиями предлагаемого способа, а условиями производства кокса. Обработку кокса раствором бората осуществляют после технологических операций подготовки кокса (разгрузка кокса из коксовой печи, гашения его, дробления и сортировки по маркам). После этого кокс с температурой 20-50°С направляют к бункеру для отгрузки, где и осуществляют его обработку водным раствором тетрабората. Согласно предлагаемому способу обработки доменного кокса защитный слой из расплавленного бората образуется на кусках кокса непосредственно в доменной печи по мере опускания обработанных раствором бората кусков кокса и повышения температуры (в соответствии с технологическими условиями доменной выплавки чугуна).

Прочность кокса после реакции (CSR), полученного согласно предлагаемому способу, повышается по сравнению с прототипом на 10-20% (отн.) (% (отн.) - это отношения абсолютного увеличения (уменьшения) величины показателя к его исходной величине, умноженное на 100%), по сравнению с исходным коксом - на 11,1-26,5% (отн.). Показатель CRI такого кокса снижается соответственно на 6,5-13% (отн.) и 8,9-17,4% (отн.). Такое улучшение показателей (CSR и CRI) качества кокса позволяет снизить расход кокса в домне. Улучшение показателей CSR и CRI кокса, обработанного раствором бората по предлагаемому способу, по сравнению с показателями CSR и CRI кокса, обработанного по известному способу-прототипу, обусловлено тем, что борат, нанесенный путем распыления сухого вещества на куски горячего кокса, в основном, находится на поверхности куска, причем распределяется по его поверхности неравномерно. При использовании же для обработки кокса водного раствора создается возможность полного и равномерного покрытия поверхности куска кокса боратом, а также возможность проникновения молекул бората в поры и трещины куска кокса, то есть глубже проникать в вещество кокса. Это позволяет при расплавлении бората формировать на куске более толстый защитный слой по сравнению с защитной пленкой, которая образуется согласно способу-прототипу. Такой защитный слой надежно препятствует проникновению и влиянию окислительных газов на вещество кокса.

Для обработки кокса согласно заявленному способу применяют такой объем раствора, чтобы количество сухого бората в коксе отвечало 0,05-0,50% (мас.) в перерасчете на кокс. При использовании бората в количестве меньшем, чем 0,05% (мас.), наблюдается слабое улучшение показателей CSR и CRI, поскольку, очевидно, этого количества бората недостаточно для создания защитного слоя по всей поверхности куска кокса. Использование бората в количестве большем, чем 0,50% (мас.), технологически и экономически нецелесообразно.

Разведение бората водой до 2-20%-ного раствора обусловлено свойствами раствора, требованиями технологического использования кокса, необходимостью наиболее полного нанесения и распределения бората по поверхности, в порах и трещинах кусков кокса для создания надежного защитного слоя, достаточного для обволакивания всего куска кокса.

В отличие от способа-прототипа для обработки кокса согласно заявляемому способу не нужны специальные дорогостоящие оборудование и средства контроля. Для проведения процесса согласно изобретению понадобятся емкость для раствора, насос, форсунка и расходомер. Обработку кокса раствором бората осуществляют прямо в бункерах после его загрузки.

Использование 2-20%-ного водного раствора бората при 20-50°С безопасно для окружающей среды и здоровья обслуживающего персонала.

Заявляемый способ обработки доменного кокса реализуют следующим образом.

После выгрузки из коксовой печи, гашения и сортировка куски доменного кокса, которые имеют температуру 20-50°С и находятся в бункере для отгрузки, обрабатывают разбрызгиванием 2-20%-ного водного раствора бората, выбранного из ряда: тетраборат натрия, тетраборат калия, тетраборат кальция. Водный раствор тетрабората необходимой концентрации для обработки кокса готовят простым смешиванием в технологической емкости рассчитанных массы тетрабората и объема воды. Для обработки применяют такой объем приготовленного раствора, чтобы количество сухого тетрабората в коксе отвечало 0,05-0,50% (мас.) в пересчете на кокс. Раствор тетрабората натрия на поверхность кусков кокса наносят путем разбрызгивания рассчитанного количества раствора через форсунки с использованием насоса.

Конкретные примеры реализации способа.

Заявляемый способ обработки доменного кокса был испытан на образцах кокса Макеевского коксохимического завода. Для обработки кокса готовили водный раствор тетрабората натрия необходимой концентрации. На поверхность кусков кокса наносили рассчитанное количество раствора путем разбрызгивания через форсунки. Определение качественных показателей кокса CSR и CRI выполняли согласно стандарту ASTM D5341-99. Обработке подвергали образцы доменного кокса с такими показателями качества: проба № 1 - CSR=42,3%, CRI - 38,3%; проба № 2 - CSR=53,9%, CRI=29,8%.

В табл.1 представлены результаты испытаний образцов кокса пробы №1 с определением показателей CSR и CRI: необработанный кокс (пример 1), опытные образцы кокса (примеры 2 и 3). Образец по примеру 2 - кокс, обработанный раствором тетрабората натрия из расчета 25 л/т 2%-ного водного раствора, то есть 0,05% (мас.) тетрабората натрия в пересчете на 1 т кокса. Образец по примеру 3 - кокс, обработанный раствором тетрабората натрия из расчета 25 л/т 20%-ного раствора тетрабората натрия, то есть 0,50 (мас.%) тетрабората натрия в пересчете на 1 т кокса. Образцы 4 и 5 (примеры 4 и 5) - это кокс, обработанный таким же количеством - 0,05% и 0,50 (мас.%) в пересчете на 1 т кокса разбрызгиванием сухого тетрабората натрия в соответствии с условиями способа-прототипа.

Таблица 1
Влияние способа обработки кокса (проба №1) тетраборатом натрия на его качественные показатели CSR и CRI
Примеры, № п/п	Исследуемая проба кокса	Количество тетрабората натрия, примененное для обработки 1 т кокса, % (мас.)	Показатели качества кокса
			CSR	CRI
1	Исходный кокс (проба №1)	-	42,3	38,3
2	Исходный кокс, обработанный водным раствором тетрабората натрия согласно заявляемому способу	0,05	47,0	34,9
3		0,50	53,5	31,6
4	Исходный кокс, обработанный распылением сухого тетрабората натрия согласно способу-прототипу	0,05	43,0	37,4
5		0,50	44,5	36,5

В табл.2 представлены результаты испытаний образцов кокса пробы № 2 - необработанный кокс (пример 6), опытные образцы (примеры 7 и 8) кокса, обработанные растворами тетрабората натрия в том же количестве, как и в примерах 2 и 3, а также образцы (примеры 9 и 10) кокса, обработанные распылением сухого тетрабората натрия согласно известному способу-прототипу. Опытные образцы пробы № 2 по примерам 11 и 12 обработаны растворами тетрабората калия в том же количестве, как и в примерах 7 и 8 с тетраборатом натрия. Образцы по примерам 13 и 14 обработаны растворами тетрабората кальция в аналогичных условиях.

Таблица 2
Влияние способа обработки кокса (проба № 2) разными тетраборатами на его качественные показатели CSR и CRI
Примеры, № п/п	Исследуемая проба кокса	Количество тетрабората, примененное для обработки 1 т кокса, % (мас.)	Показатели качества кокса
			CSR	CRI
6	Исходный кокс (проба № 2)	-	53,9	29,8
7	Исходный кокс, обработанный водным раствором тетрабората натрия по заявляемому способу	0,05	57,6	27,2
8		0,50	62,0	24,9
9	Исходный кокс, обработанный распылением сухого тетрабората натрия по способу-прототипу	0,05	54,6	29,0
10		0,50	55,5	28,0
11	Исходный кокс, обработанный водным раствором тетрабората калия по заявляемому способу	0,05	57,0	27,7
12		0,50	61,5	25,0
13	Исходный кокс, обработанный водным раствором тетрабората кальция по заявляемому способу	0,05	56,0	28,0
14		0,50	58,5	27,0

Как видно из данных табл.1, обработка раствором тетрабората натрия доменного кокса (проба № 1), который имеет низкую прочность после реакции CSR=42,3% и высокий индекс реактивности CRI=38,3%, способствует повышению на 11,1-26,5% (отн.) показателя CSR и снижению CRI на 8,9-17,4% (отн.) в сравнении с исходным коксом. Обработка того же кокса по условиям известного способа-прототипа незначительно - на 1,7-5,2% (отн.) - повышает показатель CSR и на 2,4-4,4% (отн.) снижает показатель CRI по сравнению с показателями CSR и CRI исходного кокса.

Из данных табл.2 следует, что обработка раствором тетрабората натрия доменного кокса (проба № 2), имеющего более высокую по сравнению с пробой № 1 исходную прочность после реакции (CSR=53,9%) и низкую реактивность (CRI=29,8%), немного меньше - на 6,8-15% (отн.) - повышает показатель CSR и на 8,9-17,4% (отн.) снижает показатель CRI. При обработке кокса (проба № 2) соответственно с условиями прототипа показатель CSR увеличивается на 1,3-3,0% (отн.), а показатель CRI уменьшается на 2,7-6,0% (отн.) в сравнении с показателями CSR и CRI исходного кокса. Результаты испытаний, приведенные в таблице 2 по примерам 11-14, показывают высокую эффективность обработки кокса не только тетраборатами натрия, но и тетраборатами калия и кальция.

Итак, использование предложенного способа позволяет по сравнению с известным способом-прототипом:

- повысить прочность кокса после реакции (CSR) на 10-20% (отн.);

- снизить реактивность (CRI) на 6,5-13% (отн.);

- повысить экономичность процесса за счет упрощения стадии обработки кокса неорганической добавкой, которая не требует высоких температур для получения защитной пленки;

- повысить экономичность процесса выплавки чугуна за счет использования более качественного кокса по показателям CSR и CRI, что позволяет снизить расход кокса на выплавку 1 т чугуна и снизить себестоимость получения каждой тонны чугуна.

Обработка кокса водными растворами боратов позволяет получать кокс, который отвечает международным стандартам по качественным показателям CSR>55-70% и CRI 30-22%, из некачественных коксов и соответственно расширить сырьевую базу коксования.