УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ

ВУГЛЕХІМІЧНИЙ ІНСТИТУТ (УХІН)

На правах рукопису

Давидзон Олексій Романович

УДК 669.162.16

НАУКОВЕ ОБГРУНТУВАННЯ РАЦІОНАЛЬНОГО ВИКОРИСТАННЯ

НИЗЬКОВІДНОВЛЕНОГО ВУГІЛЛЯ ДОНБАСУ ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА

ВИСОКОЯКІСНОГО КОКСУ

Спеціальність 05.17.07 – хімічна технологія

палива і паливно-мастильних матеріалів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків

2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в УХІНі Мінпромполітики України

НАУКОВИЙ КЕРІВНИК: | кандидат технічних наук,

старший науковий співробітник Дроздник Ігор Давидович,

УХІН, завідувач відділу

ОФІЦІЙНІ ОПОНЕНТИ: | доктор технічних наук, професор

Слободськой Станіслав Олександрович, завідувач кафедри технології палива та вуглецевих матеріалів Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» МОН України

кандидат технічних наук

Чернишов Юрій Олексійович

начальник виробничо-технічного відділу ВАТ «Запоріжкокс»

Захист відбудется „__08__”_____04_____ 2008 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.822.01 при УХІНі за адресою: 61023, м. Харків,
вул. Весніна, 7.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці УХІНу за адресою: 61023, м. Харків, вул. Весніна, 12.

Автореферат розіслано „06”__03__2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д 64.822.01, к.т.н, с.н.с. М.І. Рудкевич

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Дослідженнями УХІНу в останні роки показано, що вагомий вплив на показники реакційної здатності (CRI) та післяреакційної міцності (CSR) доменного коксу має підвищений вміст у донецькому вугіллі сірчаних сполук, у першу чергу, піриту, якого у декілька разів більше, ніж у вугіллі Росії та Австралії.

Саме ця специфіка складу мінеральної частини донецького вугілля обумовлює самий низький рейтинг українських коксів серед 22 країн – виробників коксу.

Цілком закономірно, що у такій ситуації особливе значення мають питання поглибленого вивчення складу та властивостей низьковідновленого вугілля Донбасу, яке містить у собі знижену масову долю загальної сірки при практичній відсутності тонкодисперсного піриту.

Розробка наукового обгрунтування раціонального використання низьковідновленого вугілля чи шихт на його підставі, а також рекомендацій щодо його практичного використання у сировинній базі коксування заводів України є вельми актуальною науково-технічною задачею, розв’язання якої дозволить підвищити конкурентноспроможність українського коксу на світовому ринку.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалася в УХІНі протягом 2002-2006 рр. у рамках галузевих науково-дослідних робіт:–

„Дослідження впливу речовинного складу, властивостей вугілля, технологій підготовки та коксування на реакційну здатність і термомеханічні властивості коксу” (держ. реєстр 0103U004657). Дисертант – відповідальний виконавець;–

„Дослідження впливу ступеня метаморфізму вугілля, яке входить до складу шихти, на „гарячу” міцність коксу (держ. реєстр 0106U006250). Дисертант – відповідальний виконавець;–

„Визначення впливу рівня зольності концентрату вугілля шахти „Красноармійська-Західна №1” на показники якості коксу відносно методу фірми „NSC” (держ. реєстр. 0106U006255). Дисертант – відповідальний виконавець;–

„Розробка перспективних складів шихт ЗАТ „Макіївкокс” та ВАТ „Ясиновський КХЗ” і перевірка їх дослідними коксуваннями у лабораторній печі УХІНа” (держ. реєстр 0106U001336). Дисертант –співкерівник роботи;–

„Випробування коксу „Преміум” дослідними доменними плавками” (держ. реєстр 0106U001891). Дисертант –співкерівник роботи.

Мета та задачі роботи. Мета дисертації – наукове обгрунтування, розробка та практична реалізація рекомендацій щодо одержання високоякісного доменного коксу на заводах України, включаючи його показники CRI та CSR до рівня, який відповідає світовим стандартам.

Для досягнення цієї мети потрібно було розв’язати низку задач наукового та прикладного характеру, а саме :–

вивчити склад, властивості та поведінку донецького вугілля різного генетичного типу щодо відновленості при коксуванні;–

розробити раціональний марочний склад та режим коксування шихт з низьковідновленого вугілля Донбасу або із шихт на його підставі, які вміщують також вугілля Росії, США, Австралії;–

вивчити закономірності формування якості коксу щодо нормованих діючими ТУ показників як механічних властивостей (М40, М25, М10), так і CRI, CSR;–

підтвердити в умовах промислового виробництва можливості та техніко-економічну ефективність одержання доменного коксу, який би відповідав світовим стандартам, із шихт розробленого складу при рекомендованих технологічних режимах коксування.

Об’єкт дослідження – процес отримання високоякісного доменного коксу із донецького вугілля різного генетичного типу щодо відновленості.

Предмет дослідження – низьковідновлене вугілля Донбасу, його раціональне масове співвідношення у шихті, режими підготовки та коксування, які забезпечують виробництво доменного коксу з показниками якості, що відповідають світовим стандартам.

Методи дослідження: для вивчення речовинного складу і властивостей вугілля використовувалися методи технічного та елементного аналізів, петрографія, пластометрія, віскозиметрія, IЧ - спектроскопія, дериватографія; визначався хімічний склад золи.

Для вивчення якості використовувалися кокси, які отримували в укрупненій лабораторній установці УХІНу, дослідно-промислових умовах, а також проби промислових коксів.

Вивчення молекулярної та надмолекулярної структур вугілля і коксу здійснювалися за допомогою методу РСА.

Наукова новизна отриманих результатів.

Вперше для донецького вугілля: –

Знайдено тісний взаємозв’язок показників Ro,r, Vdaf, у, RI, Fm із структурно-хімічним параметром д, який розраховується за даними елементного складу;–

Сформульовано нові уявлення щодо факту, коли добра коксівна здатність при обмеженій спікливості обумовлюється присутністю у структурі низьковідновленого вугілля відносно стабільних киснево(азот)вміщуючих фрагментів, розпад яких при коксуванні супроводжується створенням повздовжнього і поперечного зшиття вуглецевих сіток, які зміцнюють структуру коксу;–

Сформульовано нові уявлення щодо різних переконливих механізмів перетворення надмолекулярної структури (НМС) вугілля у процесі коксування – площинний у добре спікливого відновленого та об’ємний – у обмежено спікливого низьковідновленого вугілля;–

Науково обгрунтовано факт зарахування вугілля шахти „Красноармійська-Західна №1” (ш.КЗ-1) до марки КЖ генетичного типу „а” щодо відновленості;–

Розроблена гіпотеза відносно незалежного впливу ступеня метаморфізму (Ro,r, Vdaf ) та складу мінеральних компонентів (Ио,з) вугілля на якість коксу щодо показників CRI, CSR;–

Розроблені та рекомендовані для промислового використання марочні склади шихт, які вміщають тільки низьковідновлене вугілля Донбасу, а також шихт на підставі вугілля ш.КЗ-1 разом із зарубіжними (Росія, США, Австралія) вугільними компонентами.

Практичне значення отриманих результатів.–

Результатами, які отримані у лабораторних, дослідно-промислових та промислових умовах, підтверджена можливість отримання коксу високої якості із 100% донецького низьковідновленого вугілля, а також із шихт на його підставі за участю зарубіжного вугілля;–

Розроблено раціональний режим підготовки та коксувань шихт з переважним вмістом низьковідновленого вугілля (здрібнення до вмісту не менш 80% класу крупності 3-0 мм, кінцева температура коксування не нижче 1050єС, середня швидкість коксування 20-23 мм/годину);–

Експериментально встановлено, що сприятливий склад мінеральної частини вугілля дозволяє підвищити до 9,2% зольність та збільшити на 0,8-1,0% вихід концентрату при збагаченні вугілля ш. КЗ-1 з одночасним збереженням якості коксу із шихти за його участю на рівні вимог ТУ щодо марки КД1;–

Розроблені автором склади шихт на підставі низьковідновленого вугілля реалізовані у промислових умовах на коксових батареях №№5,6 ВАТ „Ясиновський коксохімічний завод” та №1 ЗАТ „Макіївкокс”, що забезпечило стабільне виробництво коксу високої якості;–

Випробування у доменному виробництві дослідного коксу із шихт рекомендованого автором складу пройшло успішно та забезпечило отримання річного економічного ефекту більш ніж 20,0 млн. грн., 10% з якого за експертною оцінкою відноситься на долю розроблених дисертантом складів шихт;–

Матеріали дисертації використовуються у навчальному процесі у НТУ „ХПІ” та ДонНТУ при викладанні курсу дисциплін за спеціальністю 7.091604 „Хімічна технологія палива та вуглецевих матеріалів”.

Особистий внесок здобувача:–

Сформульована ідея отримання коксу, який би відповідав світовим стандартам з донецького низьковідновленого вугілля ш.КЗ-1;–

Обгрунтування та формулювання (разом з науковим керівником) об`єкту та предмету дослідження;–

Аналіз основних етапів розвитку уявлення відносно генетичних типів вугілля щодо відновленості;–

Наукове обгрунтування напрямів досліджень вугілля, які дозволяють розкрити всі особливості низьковідновленого вугілля та механізм його поведінки у процесі коксоутворення;–

Безпосередня участь у проведенні досліджень щодо коксування вугілля у лабораторних, дослідно-промислових та промислових умовах (співкерівник, відповідальний виконавець робіт);–

Обробка експериментальних даних досліджень;–

Аналіз разом із співавторами та підготовка щодо публікацій результатів досліджень, а також тез доповідей на конференціях.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідалися на конференціях, семінарах, нарадах:–

науково-технічні ради УХІНа та ЗАТ „Донецьксталь - металургійний завод” (2004 -
2006 рр.);–

ХІ Міжнародна наукова-технічна конференція „Екологія та здоров’я людини. Охорона водного і повітряного басейнів. Утилізація відходів”, 9-13 червня 2003 р.– Щелкіно, АР Крим;–

Міжнародна науково-технічна конференція, присвячена 70-річчу КДГМК „Криворіжсталь”, 24-27 травня 2004 р. – Кривий Ріг;–

Науково-технічна конференція „Процес та технології використання відходів хімічного виробництва”, 24-27 травня 2005 р. – Донецьк: СВЦ „Експодонбас”;–

Міжнародна наукова конференція „Молодь та хімія”, 14-16 грудня 2004 р.
– Красноярськ, Росія.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 16 наукових праць, у тому числі 12 статей та 4 тези доповідей на конференціях, семінарах.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, основної частини
6 розділів, у т.ч. аналіз літератури за темою, висновки, списку зі 126 використаних джерел, та
11 додатків. Загальний обсяг дисертації 160 стор., включаючи 14 рисунків, 36 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Розвиток і сучасний стан уявлень щодо різновідновленого вугілля

У дисертації розглянуті головні етапи розвитку уявлень щодо природи різної відновленості вугілля. Дискусійний характер багатьох теоретичних положень і в той же час обмаль експериментальних даних визначають емпіричний рівень пізнань у розглянутій області, затрудняють класифікацію вугілля з урахуванням його ступеня відновленності, а роздільне використання різновідновленого вугілля у сировинній базі коксування раніше взагалі не практикувалося.

Критичний аналіз літературних джерел привів автора щодо думки про те, що перспективним напрямком поліпшення якості коксу є коксування низьковідновленого вугілля Донбасу (або шихт на його підставі), враховуючи низький вміст у ньому сірки при практичній відсутності тонкодисперсного піриту.

При цьому як у теоретичному, так і у практичному аспектах найбільш важливим на наш погляд є розкриття природи відомого факту доброї коксуємості низьковідновленого вугілля при його обмеженій спікливості, що повинно сприяти розробці наукових основ використання цього вугілля для коксування.

Методика, інструментарій та предмет дослідження

У дисертації згідно із сформульованими у вступі метою, об`єктом та предметом дослідження виконано порівнювальне вивчення речовинного складу, структуру та технологічні властивості різновідновленого вугілля Донбасу, що у подальшому стало підставою для розробки наукового обгрунтування його раціонального практичного використання.

Найбільший інтерес представляло вугілля різних марок шахт Південно-Донбаська №3, ім.Скочинського та ш.КЗ-1, характеристика яких (шахт) щодо балансових запасів, умов залягання та розробки пластів, річного добування наведені у дисертації.

Вугілля ш.КЗ-1 стало головним у ряду вибраного для дослідження донецького вугілля різних ГТВ. Його, а також отриманого з нього коксу, склад, структуру та властивості було вивчено цілою низкою інструментальних методів. Саме на його підставі було складено шихти, які вміщали не тільки донецьке вугілля типу „а”, а також інше вугілля, у тому числі російське, американське та австралійське.

Окрім проб вугілля трьох вищезгаданих шахт, було також відібрано та вивчено пластові проби вугілля усіх марок, які використовуються для коксівництва, тобто від
ДГ до Т.

Комплекс інструментальних методів дослідження включав технічний, петрографічний, елементний, пластометричний, віскозиметричний аналізи, визначення хімічного складу золи, теплоти згорання, оптичну густину екстракту, вимірювання реакційної здатності, ПЕО, дійсної та уявної частини механічної міцності, структурної міцності, показників CRI і CSR , а також дериватографію, IЧ- спектроскопію, РСА.

Кокс із шихт різного складу отримували в укрупненій лабораторній установці УХІНа, коксуванням в дослідно-промислових умовах та у промислових коксових печах.

Таким чином, загальна методика виконання дисертаційної роботи полягає у вивченні комплексом стандартизованих та спеціальних методів складу, будови та властивостей вугілля різного ГТВ, а також шихт з їх варіювальним масовим співвідношенням, проведенні коксування у лабораторних та дослідно-промислових умовах з одночасним обрунтуванням і перевіркою промисловими випробуваннями раціонального складу та режимів коксування щодо критеріїв механічних, термомеханічних і фізико-хімічних властивостей коксу.

Комплексна характеристика донецького

вугілля різних генетичних типів щодо відновленості

Були дослідженні проби донецького вугілля, яке використовується для коксування, шести різних марок (від ДГ до Т), причому кожна з них була представлена двома пробами відновленого та двома низьковідновленого вугілля, а вугілля ш.КЗ-1, марочна належність якого залишалася не визначеною, було представлено товарною шахтною пробою. Все вугілля було збагачене до зольності не більше 9%.

Обробка результатів елементного аналізу з одночасним розрахунком атомних співвідношень (рис.1) показала, що залежність Н/С=f(Сdaf) для низьковідновленого (тип „а”) та відновленого (тип „в”) вугілля описується єдиним лінійним рівнянням регресії з високим коефіцієнтом парної кореляції (r = 0,989), а залежність О/С = f(Сdaf) чітко розмежовує вугілля щодо типів „а” і „в” , а це в свою чергу узгоджується з уявленнями як відносно утворення перших у аеробних умовах кислотного середовища, так і щодо накопичення у них в ході метаморфізму найменш реакційноздатних форм кисню. При коксуванні такий кисень може брати участь в утворенні нового термодинамічного стійкого зв’язку, який у свою чергу сприяє зміцненню структури коксу.

Залежність Н/N= f(Сdaf) також описується різними лінійними регресивними рівняннями для вугілля типів „а” та „в”.

Отримані результати узгоджуються з відомими уявами щодо того, що метаморфізм „кристалічної” (ароматичної) структури відбувається незалежно від ГТВ вугілля, тоді як перетворення кисне- та азотвміщуючих фрагментів аморфної структури вугілля типів „а” і „в” протікає по різному. Розраховані відносно даних елементного аналізу структурні (fа і сА) та структурно-хімічні (д і В) параметри, які характеризують відповідно ступінь ароматичності, ступінь молекулярної асоційності, ступінь ненасиченості воднем та ступінь відновленості органічної маси вугілля (ОМВ), у об’ємі досліджуваної вибірки вугілля тісно взаємозв`язані (|r|?0,92), тобто не є незалежними джерелами інформації відносно структури вугілля і є взаємозамінними (рис.2).

У дисертації обгрунтована переважність використання параметру д, у розрахунок якого не входить вміст кисню, який має чітке граничне значення від 12,5 у метані до 16,7 у графіті.

Залежності Rо = f(д) і Vdaf = f(д), на рисунку, незалежно від ГТВ вугілля мають вид прямих ліній, які описуються лінійними рівняннями регресії з | r |? 0,992.

На відміну від цього, у діапазоні д<10 досить чітко проявляється різниця величин у, RI та lgFm у вугілля ГТВ «а» і «в» (рис. 3).

Рис. 1. Залежність атомних співвідношень Н/С, О/С і H/N

від вмісту вуглецю (Cdaf) у вугіллі:

1

2

Рис. 2. Взаємозв’язок структурних параметрів вугілля типів «а» (¦) і «в» (?)

У регресійних рівняннях другого ступеня виду Пi = ад2 + вд + с, де Пi=y, RI, lgFm , коефіцієнти при д та вільні члени змінюються в залежності від ГТВ вугілля.

Значення коефіцієнтів множинної кореляції для досліджених зв’язків складають від 0,903 до 0,980.

Експериментальні дані, які відображають специфіку елементного складу та технологічних властивостей вугілля різного ГТВ, використані автором при розробці раціонального складу шихт за участю такого вугілля.

Рис. 3. Залежність показників технологічних властивостей (у, RI и lgFm)

від структурного параметру д вугілля:

1.

2.

^ – ш. КЗ-1

Одним із самих важливих важелів, які впливають на сировинну базу коксування українських заводів, є те, що марочна належність товарної продукції ш.КЗ-1, яка добуває більш ніж 6 млн. тонн на рік високоякісного коксівного вугілля, залишається не визначеною.

Автором виконано комплексне дослідження складу, структури та технологічних властивостей цього вугілля та донецького вугілля – типових представників марок Г
(ш. ім. Стаханова), Ж (ш. Чайкіно) та К (ш. ім. Бажанова). Повні результати аналізів з застосуванням - стандартизованих та спеціальних методів наведені у дисертації, а частково у таблиці 1.

Таблиця 1

Порівнювальна характеристика дослідженого вугілля

Метод дослідження | Показники | Г, ш. ім.Стаханова | Ж, ш.Чайкіно | К, ш.ім.Бажанова | ш. КЗ-1

Технічний аналіз | Sdt ,%

Vdaf,% | 2,25

36,3 | 2,23

30,9 | 1,57

26,7 | 0,76

29,1

Петрографія | Ro,r,%

Асимметрія | 0,77

Лівостороння | 0,97

Лівостороння | 1,23

Лівостороння | 1,09

Правостороння

Елементний склад (атомні співвідношення | Н/С

О/С

Н/N | 0,851

0,064

55,07 | 0,767

0,039

48,13 | 0,703

0,024

45,50 | 0,733

0,048

49,47

Структурні і структурно-хімічні параметри | д

В

fа

сА | 8,074

28,660

0,655

0,740 | 8,964

27,590

0,697

0,772 | 9,698

26,221

0,727

0,798 | 9,274

25,681

0,706

0,782

Пластометрія | У,мм | 10 | 31 | 21 | 14

Віскозиметрія (за методом Гизелера) | Fm,дел/мин | 580 | 7980 | 1830 | 125

Теплоти згорання | Qdafs , МДж/кг | 34,00 | 35,2 | 35,92 | 34,54

ІЧС (Ii/I1600) | 3400 Показані частоти (см-1) відносно смуги поглинання з інтенсивністю Ii, які відносяться до валентних коливань кисневміщуючих груп атомів.

1720/1700

1650

1030 | 0,47

0,11/0,18

0,60

0,90 | 0,50

0,21/0,24

0,96

0,75 | 0,47

0,25/0,36

0,85

0,84 | 0,71

0,20/0,34

0,89

0,95

РСА | d002,нм

Lc,нм

Lа,нм

h/l002

dг

h/lг | 0,374

2,44

3,3

1,19

0,477

1,87 | 0,372

2,83

2,7

1,45

0,469

0,96 | 0,358

2,93

3,4

4,60

0,456

2,00 | 0,358

3,26

4,4

1,78

0,456

1,00

Табличні дані відносно показників (Vdaf, Ro,r, Н/С, д, fа та інші) підкреслюють, що вугілля ш.КЗ-1 займає проміжне положення між вугіллям Ж та К.

Добра коксівність при обмеженій спікливості низьковідновленого вугілля у порівнянні з відновленими обумовлюються, на думку автора, тим, що при його коксуванні реалізуються різні механізми переважного розвитку надмолекулярної структури (НМС).

Як видно із таблиці 2, у добреспікливого високотекучого жирного вугілля поряд з впорядкуванням та зближенням вуглецевих шарів як у „кристалітній”, так і у відповідальній за
г-полосу складових, надто інтенсивно проходить площинна структуризація: протяжність вуглецевих шарів (La) у коксі у 4,704 рази більша, ніж у вихідного вугілля. У коксі із вугілля інших марок La збільшується у 1,500-2,242 рази.

Можливо, що саме інтенсивна площинна структуризація атомів вуглецю обумовлює здатність жирного вугілля приймати спісняючі добавки, тобто є спікаючою основою шихти. На відміну, від цього, при індивідуальному коксуванні вугілля ш.КЗ-1 величина La,002 зростає тільки у 1,5 рази (менше ніж у будь-якого другого вугілля, включаючи газове),тоді як показники h/l002 та особливо h/lг зростають у 3,242 і 3,450 рази відповідно, тобто значно більше, ніж у будь-якого другого вугілля, включаючи жирне та коксове.

Таблиця 2

Відношення Пi,РСА Наведено співвідношення значення i-того показника РСА коксу та того ж самого показника у вихідному вугіллі.

Марка вугілля | d002 | Lc,002 | La,002 | h/l002 | dг | Lc,г | h/lг

Г, ш. Стаханова | 0,973 | 1,029 | 2,242 | 3,000 | 0,935 | 1,196 | 0,909

Ж, ш. Чайкіно | 0,949 | 1,113 | 4,704 | 2,807 | 0,902 | 1,092 | 1,719

К, ш. ім. Бажанова | 0,994 | 1,293 | 2,235 | 1,159 | 0,939 | 1,127 | 1,165

К (?), ш. КЗ-1 | 0,986 | 1,040 | 1,500 | 3,242 | 0,914 | 1,353 | 3,450

Інтенсивність упорядкування атомів вуглецю у неароматичній складовій при коксуванні вугілля ш.КЗ-1 у 2-3 рази перевищує співвідношення показників h/lг при коксуванні іншого вугілля (3,450 проти 0,909-1,719). Цю здатність вугілля ш.КЗ-1 автор пов’язує із підвищеним вмістом термостійких кисеньвміщуючих груп, а саме фенолів, простих та складних ефірів, кетонів та інших, які з одної сторони, обумовлюють обмежену спікливість вугілля ш.КЗ-1, а з іншої сторони, сприяють поперечному та повздовжньому зшиванню вуглецевих шарів у „кристалітній” складовій НМС, а також інтенсивному упорядкуванню атомів вуглецю у ії (НМС) неароматичній складовій.

Отримані автором результати відображають невичерпну різноманітність палеоумов перетворень вихідного рослинного матеріалу на стадіях діагенезу та метаморфізму, які призводять до такої ж невичерпної різноманітності елементного складу, атомних співвідношень, структурних характеристик ОМВ, і як висновок – до різноманітності технологічних властивостей вугілля.

У практичному аспекті отримані експериментальні дані та їх аналіз були закладені в основу запропонованої автором рекомендації доповнити діючу в Україні класифікацію ДСТУ 3472-96 відсутньою маркою КЖ та приєднати до неї вугілля ш.КЗ-1 з приміткою ГТВ, тобто ідентифікувати його як вугілля марки КЖ („а”).

РОЗРОБКА РАЦІОНАЛЬНОГО СКЛАДУ ШИХТ ЗА УЧАСТЮ І НА ОСНОВІ НИЗЬКОВІДНОВЛЕНОГО ВУГІЛЛЯ ШАХТИ „КРАСНОАРМІЙСЬКА-ЗАХІДНА №1”

На стадії лабораторних досліджень у базовій шихті, яка складалася за участю поточних ресурсів донецького вугілля різних марок для коксування здійснювали часткову або повну заміну високосірчистого вугілля типу „а” на вугілля ш.КЗ-1.

Найкращі результати були одержані у випадку, коли було замінено у складі базової шихти по 10% вугілля марки Г і ПС на 20% вугілля ш.КЗ-1. При цьому вихід коксу практично не змінюється, а якість поліпшується – міцність збільшується на 0,3%, а стиранність – понижується на 0,4%.

На підставі отриманих даних сформульовано рекомендації не тільки щодо віднесення вугілля ш.КЗ-1 у окрему марку, а ще і щодо доцільності його збагачення, складування та дозування окремо від вугілля інших марок.

На стадії дослідно-промислових коксувань встановлено, що із шихти на основі низьковідновленого донецького вугілля ш.КЗ-1 (70-75%) та марки Ж ш. ім. Скочинського (15-20%) за участю 10% російського вугілля марки Г ш. Зарічна або марки КСН розрізу Чернігівець отримується кокс високої якості щодо показників як механічних властивостей (П25 ? 90%, И10 ? 7,7%), так і реакційної здатності (Km 0,18-0,21 см3/г•с), CRI (32,8-34,9%) и CSR (49,3-51,2%).

Враховуючи реальну перспективу багатотонажних надходжень в Україну вугілля дальнього зарубіжжя автор проводив дослідження щодо якості коксу, який отримувався у дослідно-промислових умовах із шихт на підставі вугілля ш.КЗ-1 (70%) за участю 30% добре спікливого (у=17-26мм) вугілля США або Австралії. Повну характеристику компонентів, шихт та коксу наведено у дисертації.

Особливість одержаного коксу полягає у поєднанні високих механічних властивостей, пониженої реакційної здатності та високої післяреакційної міцності.

Вперше у вітчизняний практиці у промислових умовах отримано кокс із шихт, у склад якої входить донецьке вугілля тільки ГТВ „а”.

Із шихти складу вугілля ш.КЗ-1 70-80%, марки Ж ш. ім. Скочинского-15-30%, марки Г ш.Південно-Донбаська №3 -15% отримується кокс з показниками якості на рівні коксу , який відповідає світовим стандартам, включаючи показники Sdt (0,66-0,80), CRI (30,0-33,8), CSR (51,1-59,8), Km (0,12-0,14см3/г•с).

ДЕЯКІ НАПРЯМКИ УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ КОКСУВАННЯ НИЗЬКОВІДНОВЛЕНОГО ВУГІЛЛЯ

Різноманітністю умов генезису, діагенезу та метаморфізму поясняється той факт, що склад мінеральної частини вугілля типів „а” та „в” досить відрізняється. Даними, які є у дисертації, показано, що зола першого („а”) у 2-3 рази менше містить оксиду заліза, ніж зола другого „в”. Враховуючи це, автор сформулював рекомендацію щодо доцільності диференційованого збагачення вугілля з одночасним врахуванням їх ГТВ.

Результати коксування у лабораторних умовах показали, що збільшення зольності вугілля ш.КЗ-1 від 7,8 до 9,2% при інших рівних умовах дещо понижують механічні властивості коксу (П25 зменшується від 92,3 до 91,8%, а И10 збільшується від 6,9 до 7,1%), але поліпшується його якість щодо CRI (зниження від 34,2 до 32,1%).

Підвищення до 9% у середньому норми зольності концентрату вугілля ш.КЗ-1, який виробляється на ЦЗФ «Чумаковська», забезпечило збільшення виходу цього цільового продукту.

Обробка результатів коксування у лабораторних умовах дозволила запропонувати гіпотезу (уявлення) впливу на якість коксу відносно показників CRI (CSR) якості шихти щодо показників Vdaf (рис.4) и Ио,з (рис. 5).

Встановлено, що у інтервалі 28? Vdaf? 31% зміна Vdaf шихти на ±1% змінює CRI на ±0,99% та CSR на 1,5%, а у інтервалі 2,7? Ио,з ? 3,3 зміна Ио,з шихти на ±0,1 призводить до зміни CRI на ±1,23% та CSR на 2,2%.

Рис. 4 Взаємозв’язок приведенных до Ио,з= const

значінь CRI (1) та CSR (2) лабораторного коксу з Vdaf шихти

Рис. 5 Взаємозв’язок показників CRI (1), CSR (2) і Ио,з

З даних таблиці 3 щодо результатів дослідно-промислових коксувань витікає, що більш тонкий помел (?3-0 мм) шихти за участю низьковідновленого вугілля (70% вугілля ш.КЗ-1 та 10% вугілля ш. ім. Скочинського), а також зниження швидкості (W) та підвищення кінцевої температури (tk) коксування у досліджених інтервалах поліпшують якість коксу щодо показників механічних (П25, И10), фізико-хімічних (km) та термомеханічних (CRI, CSR) властивостей.

Таблиця 3

Вплив умов коксування на якість коксу

Варіанти | Умови коксування | Показники якості коксу

? 3-0,% | W,мм/ч | tk,єС | П25,% | И10,% | Km, см3/г•с | CRI,% | CSR,%

1 (базовий) | 82,0 | 24,77 | 1030 | 89,2 | 7,8 | 0,28 | 36,9 | 44,9

2 | 100 | 24,43 | 1035 | 90,5 | 7,4 | 0,22 | 34,6 | 48,3

3 | 82,0 | 20,22 | 1050 | 90,7 | 6,9 | 0,19 | 33,7 | 50,6

4 | 82,0 | 24,77 | 990 | 88,4 | 8,9 | 0,32 | 41,6 | 42,6

5 | 100,0 | 20,22 | 1060 | 92,0 | 6,4 | 0,18 | 31,6 | 54,1

Результати досліджень, які представлено у цьому розділі, дозволили оптимізувати басейновий, марочний та компонентний склади шихти, а також умови її підготовки та коксування на підставі низьковідновленого донецького вугілля стосовно напрацюванню промислових партій коксу для дослідних доменних плавок.

ПІДГОТОВКА ТА ПРОВЕДЕННЯ ВИПРОБУВАНЬ ДОМЕННИМИ ПЛАВКАМИ ПРОМИСЛОВИХ ПАРТІЙ КОКСУ З НИЗЬКОВІДНОВЛЕНОГО ВУГІЛЛЯ

Протягом трьохмісячних промислових коксувань на коксових батареях №№5,6 Ясиновського КХЗ було проведено 6 перешихтовок з метою перевірки результатів, які були отримані у лабораторних та дослідно-промислових умовах коксування у частині раціонального складу шихт на підставі низьковідновленого вугілля.

Найкращі результати щодо показників виходу та якості коксу дали коксування шихт із донецького вугілля наступного складу: не менш 75% вугілля ш.КЗ-1, до 10% вугілля марки Ж ш. ім. Скочинського, до 15% концентрату марки Ж ЦЗФ Самсонівська. При високих механічних властивостях (М40 и М10 на рівні відповідно 78 та 6,0%) кокс мав значення щодо CRI не більш 30%, а CSR не менше 55%, причому виміряні величини у двох останніх були дуже близькими до розрахованих відносно наступних регресивних рівнянь, які було запропоновано автором:

CRI=3,23Vdaf+3,03Sdt +0,98Ио,з-73,3 (1)

та CSR=102,8-1,59CRI (2)

У рівнянні (1) Vdaf , Sdt , Ио,з – показники якості шихти.

Накопичений досвід промислового коксування шихти на підставі низьковідновленого вугілля, вивчення технологічних можливостей поліпшення якості коксу, наявність ТУ, які нормують, поряд з традиційними, також і показники CRI та CSR – ці та інші фактори створили передумови для проведення дослідних плавок на доменній печі №2 ЗАТ “Донецьксталь - металургійний завод”.

За участю автора була виконана “Робоча програма проведення дослідно – промислових досліджень щодо визначення впливу використання коксу, який відповідає світовим стандартам, ЗАТ “Макіївкокс” на техніко-економічні показники роботи доменної печі”.

Промисловий кокс, який відповідав світовим стандартам, випробували в період березень-травень 2006 р. у доменній печі об’ємом 1033 м3 , яка працює з застосуванням технології вдування пилевугільного палива (ПВП) без застосування природного газу.

Наведені у таблиці 4 данні показують ефективність використання зазначеного – коксу у доменному процесі.

Таблиця 4

Показники роботи доменної печі у базовому та дослідному періодах

Показники | Базовий період (робота на коксі марки КД) | Дослідний період (робота на коксі марки КДП)

Об’єм виробництва чавуну, т/добу | 1951 | 2200

Витрата коксу (сухого), кг/т | 437 | 398

Витрата ПВП, кг/т | 168 | 165

Температура дуття, єС | 940 | 980-1000

В--міст кисню, % | 25,1 | 25,7

Тиск колошникового газу, ат | 1,20 | 1,25

Вміст кремнію у чавуні, % | 0,80 | 0,70

Оцінка техніко-економічної ефективності використання коксу, який відповідає світовим стандартам, показала, що поліпшення його якості у порівнянні з якістю коксу базового періоду дає можливість збільшити виробництво чавуну, знизити витрати коксу та поліпшити інші показники роботи доменної печі.

Сукупний економічний ефект від використання такого коксу складає більш ніж
20,0 млн. грн. на рік, у тому числі 10% за рахунок роботи автора стосовно обґрунтування раціонального складу сировинної бази.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Отримані автором теоретичні і експериментальні результати у лабораторних, дослідно-промислових та промислових умовах дозволили розробити науково - обґрунтовані рекомендації щодо раціонального використання донецького низьковідновленого вугілля у виробництві коксу, практична реалізація яких дозволила вирішити важну народно-господарську задачу, а саме – вперше в Україні у промислових масштабах освоєно виробництво доменного коксу, що відповідає світовим стандартам.

2. Вперше встановлено, що для донецького вугілля взаємозв’язок структурно-хімічного параметру д з показниками ступеню метаморфізму (Ro.r и Vdaf) не залежить від ГТВ та описується лінійними регресійними рівняннями, а з показниками технологічних властивостей (у, RI, Fm) – регресійними рівняннями 2-го ступеня, причому різними для вугілля ГТВ „а” і „в”, особливо марок від ДГ до К.

3. Сформульована пропозиція доповнити діючу в Україні класифікацію кам’яного вугілля маркою КЖ, до якої відноситься вугілля ш.КЗ-1 з одночасною вказівкою на його генетичний тип «а», тобто ідентифікувати його як низьковідновлене вугілля марки КЖ „а”.

4. Вперше сформульовані уявлення відносно того, що добра коксівність при обмеженій спікливості низьковідновленого вугілля обумовлена наявністю у його структурі відносно стійких кисень(азот)вміщуючих фрагментів, розпад яких при коксуванні супроводжується створенням повздовжнього і поперечного зшиття між вуглецевими сітками, що в свою чергу сприяє зміцненню структури коксу.

5. На підставі аналізу результатів РСА вугілля різного ГТВ та одержаного з нього коксу сформульовано нові уявлення щодо механізму перетворення НМС у процесі коксування, а саме у добре спікливого відновленого вугілля відбувається переважно площинне, а у обмежено спікливого низьковідновленого вугілля – переважно об’ємне перетворення НМС.

6. Розроблена гіпотеза щодо впливу ступеню метаморфізму вугілля та складу його мінеральної частини на якість коксу відносно показників CRI і CSR. Встановлено,що у досліджувальному діапазоні (28-31%) змінення величини Vdaf шихти на ± 1 % обумовлює зміну якості коксу щодо CRI на ± 0,99%, а щодо CSR на ± 1,51%.Змінення Ио.з шихти на ± 0,1 (у інтервалі 2,7-3,3) призводить до зміні CRI коксу на ±1,23%, а CSR на 2,2%.

7. Розроблено та рекомендовано для практичного використання басейновий, марочний та компонентний склади і режими коксування шихт на підставі донецького низьковідновленого вугілля шахт КЗ-1(70-80%) та ім. Скочинського (10-15%) за участю відновленого жирного вугілля (до 20%) або російського вугілля зі зниженим виходом летких речовин марок КО, КС, КСН та інших (15%).

8. Результатами дослідно-промислових коксувань показано, що більш тонке здрібнення (не менше 80% вмісту класу крупності 3-0 мм), подовження періоду і підвищення кінцевої температури коксування (не нижче ніж 1050 єС) шихт на підставі низьковідновленого вугілля сприяє поліпшенню якості коксу. При цьому найкраще поєднання його механічних властивостей та показників CRI (CSR) досягається при швидкості коксування 20-23 мм/годину із досліджуваного інтервалу 18-27 мм/годину.

9. Наукові розробки та практичні рекомендації автора реалізовано у промисловості при виробництві на Ясиновському і Макіївському коксохімічних заводах дослідно-промислових партій доменного коксу, який відповідає світовим стандартам. Випробування цього коксу у доменній печі №2 ЗАТ “Донецьксталь - металургійний завод” пройшли успішно, забезпечили річний економічний ефект більш ніж 20,0 млн. грн., з яких 10% віднесено на долю розробки автором складу шихти для виробництва коксу, який відповідає світовим стандартам.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО У НАСТУПНИХ РОБОТАХ:

1. Ковалёв Е.Т., Дроздник И.Д., Давидзон А.Р., Золотарёв И.В. О коксуемости угля шахты “Красноармейская – Западная №1” // Уголь Украины. – 2001. – № 11-12. – С. 22-24.

Автором виконано аналіз впливу сировинної бази коксування Ясиновського КХЗ за участю вугілля ш.КЗ-1 на якість коксу.

2. Кафтан Ю.С., Дроздник И.Д., Торяник С.С., Бидоленко Н.Б., Давидзон А.Р. Технологическая ценность угля шахты “Красноармейская - Западная №1” // Углехимический журнал. – 2002. – № 3-4. – С. 3-7.

Дисертант брав участь у лабораторних дослідженнях вугілля, шихт і коксу та сформулював пропозицію щодо віднесення вугілля ш.КЗ-1 в окрему марку з індивідуальним збагаченням та дозуванням при шихтуванні.

3. Давидзон А.Р., Дроздник И.Д. Особенности элементного состава, структуры и свойств угля шахты “Красноармейская - Западная № 1” // Углехимический журнал. – 2003. – № 3-4. –
С. 13-15.

Автор обґрунтував доцільність застосування додатково до традиційних більш інформативних сучасних фізичних методів дослідження вугілля.

4. Давидзон А.Р., Дроздник И.Д., Бидоленко Н.Б. Научное обоснование генетического типа и марочной принадлежности угля шахты “Красноармейская - Западная № 1”
// Углехимический журнал. – 2004. – № 3-4. – С. 12-16.

На підставі аналізу результатів комплексного вивчення донецького вугілля різних марок за допомогою ІЧС; РСА автором сформульовано рекомендацію відносно доповнення діючої в Україні класифікації кам’яного вугілля маркою КЖ, а вугілля ш.КЗ-1 відносити до цієї марки із вказівкою ГТВ “а” .

5. Давидзон А.Р., Шендрик Т.Г., Пащенко Л.В., Симонова В.В. Исследование угля шахты “Красноармейская - Западная № 1” как важного компонента сырьевой базы коксования Украины // Кокс и химия. – 2004. – № 3. – С. 8-11.

Під керівництвом та за участю дисертанта виконано комплексні дослідження структури і властивостей вугілля різних марок та одержаних із них коксів, які дозволили виявити специфіку формування надмолекулярної структури коксу із вугілля ш. КЗ-1.

6. Давидзон А.Р., Дроздник И.Д., Улановский М.Л., Торяник С.С. Разработка рационального состава шихт для коксования на основе угля шахты “Красноармейская - Западная № 1” // Углехимический журнал. – 2005. – № 1-2. – С. 23-29.

Під керівництвом та за участю здобувача проведені дослідно-промислові коксування шихт різного басейнового, марочного та компонентного складу, які вміщають від 38 до 80% низьковідновленого вугілля ш.КЗ-1.

7. Давидзон А.Р. Промышленное коксование шихт на основе угля шахты “Красноармейская - Западная № 1” // Кокс и химия. – 2005. – № 4. – С. 20-24.

Автор виконав аналіз результатів дослідно-промислових та промислових коксувань, розробленого складу на підставі вугілля ш.КЗ-1.

8. Давидзон А.Р., Дроздник И.Д. Технологические возможности улучшения качества кокса // Кокс и химия. – 2006. – № 8. – С. 15-18.

За результатами дослідно-промислових коксувань автором сформульовано висновок щодо незалежного та узагальнюючого сприятливого впливу на якість коксу факторів більш тонкого подрібнення шихти та подовження періоду коксування у досліджувальних інтервалах їх варіювання.

9. Давидзон А.Р., Дроздник И.Д. Особенности структурно-химических и технологических характеристик разновосстановленных углей Донбасса // Кокс и химия. – 2007. – № 3. – С. 7–11.

Дисертанту належить ідея проведення комплексних досліджень 25 проб вугілля різних марок (від ДГ до Т) генетичних типів „а” і „в”, також проведено розрахунок їх структурно-хімічних параметрів, визначено за допомогою регресійних рівнянь координати максимальних значень показників властивостей різновідновленого вугілля (у, RI и Fm).

10. Гордиенко А.И., Давидзон А.Р., Чаленко В.И. Влияние степени метаморфизма углей на качество кокса по показателям CRI и CSR // Кокс и химия. – 2007. – № 5. – С.10-16.

Автор брав участь у лабораторних і дослідно-промислових умовах щодо отримання коксу, обробці та аналізу результатів, формулюванні висновків.

11. Давидзон А.Р., Дроздник И.Д. Влияние скорости коксования шихты на основе угля шахты “Красноармейская - Западная № 1”на качество кокса // Углехимический журнал. – 2006. –
№ 5-6. – С. 20-22.

Автор приймав участь в проведенні досліджень, а також виконав аналіз одержаних результатів.

12. Давидзон А.Р., Шендрик Т.Г., Пащенко Л.В., Симонова В.В. Особенности вещественного состава и структуры угля шахты “Красноармейская - Западная № 1”
// Углехимический журнал. – 2007. – № 1-2. – С.3-9.

Автор є учасником підготовки об’єктів дослідження, зробив аналіз отриманих експериментальних результатів.

13. Давидзон А.Р., Шендрик Т.Г., Пащенко Л.В., Симонова В.В. Структурные особенности угля ш. “Красноармейская - Западная № 1” (Донбасс) как альтернативного сырья для коксования // Сб. научных статей XI Международной научно-технической конференции „Экология и здоровье человека…” 9-13 июня 2003 г. – Щёлкино, АР Крым. – Т.1, – С.104-110.

Автором зроблено доповідь на конференції.

14. Давидзон А.Р., Ильяшов М.А. Роль угля шахты “Красноармейская - Западная № 1” в производстве кокса для современной технологии выплавки чугуна // Труды Международной научно-технической конференции, посвящённой 70-летию КГГМК „Криворожсталь”, 24-27 мая 2004 г. – Кривой–Рог. – С.215–220.

Здобувачем зроблено доповідь на конференції.

15. Давидзон А.Р., Дроздник И.Д. Определение генетического типа угля по восстановленности на основе критериев химической и физической природы // Тезисы доклада на Международной конференции «Молодёжь и Химия», 14–16 декабря 2004 г. – Красноярск.

Автором зроблено доповідь на конференції.

16. Шендрик Т.Г., Симонова В.В., Пащенко Л.В., Давидзон А.Р. Структурные особенности образцов углей шахты „Красноармейская - Западная № 1” с различными пластометрическими характеристиками // Тезисы доклада на научно–технической конференции „Процессы и технологии использования отходов химического производства”, 24–27 мая 2005 г. – Донецк.

Автор брав участь у дослідженні вугілля, складанні тез доповіді, зроблено доповідь.

АНОТАЦІЯ

Давидзон О.Р. Наукове обгрунтування раціонального використання низьковідновленого вугілля Донбасу для виробництва високоякісного коксу. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.07 - хімічна технологія палива і паливно-мастильних матеріалів - Український державний науково-дослідний вуглехімічний інститут (УХІН), Харків, 2008 р.

Дисертація спрямована на рішення актуального народно - господарчого завдання - отримання на заводах України високоякісного доменного коксу за світовими стандартами якості на підставі наукових подань щодо раціонального використання низьковідновленого вугілля Донбасу у сировинній базі коксування.

Із застосуванням традиційних, а також спеціальних методів (деріватографія,
ІЧ-спектроскопія, РСА) проведено дослідження складу, властивості та поведінку при коксуванні донецького вугілля різних генетичних типів щодо відновленості (ГТВ) усіх