Анализ положительного опыта введения классификации, предшествующей дроблению, на примере коксохимического завода в г. Тунлин, провинция Аньхой, КНР

Внедрение предварительной классификации на коксохимических предприятиях

1. Введение

Shijiazhuang Gongbei Heavy Machinery Limited Company

Автор: Цуй Шулин, инженер высшей категории

Апрель 2019

Коксохимический завод Тунлин имеет две 4.3-метровые коксовые печи с трамбовочными устройствами, две 7-метровые коксовые печи с загрузкой сверху и другое оборудование, необходимое для сухого тушения кокса, очистки газа, переработки химической продукции и т. д. Производительность 15 млн. тонн в год. Используется угольная шихта, в которой доля частиц -3мм в исходной смеси составляет 57,51%, а влажность порядка 11%.

Для первой стадии измельчения используется реверсивная молотковая дробилка модели PFCK1820 (производительность 400 т/ч, конечная крупность -3мм, мощность 800кВт).

Таблица видов и пропорций содержащихся в угольной шихте углей:

Примерная стоимость тонны угольной шихты 1318 юаней; стоимость тонны кокса 2250 юаней; Содержание коксовой пыли 8%, стоимость коксовой пыли 1350 юаней.

Крупность питания коксовой печи:

По причине отсутствия у пользователя сит с размером ячеи 0.5мм, ситовой анализ проводился на сите с размером ячеи 1мм. Таким образом, основываясь на приведенных в таблице данных и исходя из расчетов коксохимических предприятий, считается, что если после дробления содержание фракции крупностью -1мм в измельченном продукте достигает 63%, то содержание в нем фракции 0.5мм достигает уровня более 30-40%. На некоторых предприятиях эта цифра варьируется в пределах 45%.

2. ДРОБИМОСЬ И КРУПНОСТЬ РАЗНОГО ВИДА УГЛЕЙ В СОСТАВЕ УГОЛЬНОЙ ШИХТЫ

Для удовлетворения потребностей сталелитейной промышленности коксохимические предприятия готовы предоставить высококачественный металлургический кокс с разными показателями крупности, хрупкости, реакционной способности в горячем состоянии, зольности и т. д. Изготовление кокса производится спеканием смеси двух или более видов углей; спекаясь, угли дополняют свойства друг друга, а перед поступлением в печь измельчаются до определенной крупности и перемешиваются до однородного состава.
Обычно главным показателем измельчения угля является измельченность частиц угольной шихты. Под измельченностью подразумевается, что, пройдя стадию измельчения, состав угольной шихты будет на 100% состоять из класса -3мм.

Для производства высокопрочного кокса требования только к измельченности не уместны без понимания того, что крупность частиц, крупность питания, способность к передрабливанию всех углей отличается в зависимости от видов угля. Даже если все эти угли пройдут измельчение в одной и той же дробильной установке, они всё равно будут сильно отличаться по крупности и составу.
Из-за высокой абразивности и твердости (40~60 HGI) слабоспекающихся углей возникают сложности с их измельчением. Как пример —  тощий уголь (антрацитовый уголь, газовый уголь). Крупность частиц тощего угля перед дроблением 5-50мм, а после дробления имеет место большая разность размеров и форм частиц.

Хорошо спекающийся коксовый уголь или жирный уголь более мягкие по своей структуре и легче поддаются дроблению, являются продуктом углеобогатительных фабрик. Частицы класса крупности -3мм в этих углях до прибытия на фабрику и проведения дробления занимают более 60-80%. Крупность частиц такого угля в составе угольной смеси довольно мала, имеет высокое содержание пыли, так как в процессе дробления легко измельчается до состояния пыли (-1мм).
Для достижения желаемой крупности питания коксовой печи применяется технология измельчения с учетом определенных свойств угля. Только после достижения желаемой крупности и желаемого гранулометрического состава каждого из углей производится их смешение и спекание. Слабоспекающийся уголь имеет высокую твердость и измельчается до 1-3мм.  Хорошо спекающийся уголь более мягок и измельчается до 3-6мм. Технология для измельчения одного вида угля относительно проста, а технологии, используемые для измельчения двух и более видов угля в составе угольных смесей часто довольно сложны, и требуют больших финансовых вложений.

В настоящий момент коксовые предприятия используют два способа измельчения, осуществляемые в одну или две стадии: одностадийное измельчение —  предварительное смешение углей и их совместное дробление с последующим спеканием в коксовой печи; измельчение в два этапа включает в себя предварительное измельчение твердых тощих углей до -1мм, после которого угли смешиваются и дробятся повторно уже в составе смеси.

3. ПРОБЛЕМЫ УГЛЕПОДГОТОВКИ

Одноэтапное и двухэтапное измельчение происходит в дробильном устройстве, где удары являются вероятностной величиной (реверсивная дробилка). Процесс измельчения подразумевает под собой измельчение посредством ударов молотков по материалу и столкновения материала между собой в дробильной камере. С одной стороны, частицы материала разрушаются изнутри под воздействием ударной силы, с другой измельчение происходит из-за истирания материала молотками или другим материалом. В одноэтапном и двухэтапном измельчении имеются следующие проблемы:

1) Проблемы измельчения в одну стадию.

Разная хрупкость отдельных видов углей приводит к неоднородной крупности частиц после дробления в одном и том же дробильном оборудовании.

a. Большое содержание крупных частиц газового угля и тощего угля (+3мм).
Например, появление уплотнений в коксе объясняется недостаточной реакцией крупных частиц в процессе спекания кокса, что приводит к неоднородной плотности внутри кокса и понижает общую прочность кокса.

b. Переизмельчение хорошо спекающегося угля.
Класс частиц крупностью -1мм в составе угольной шихты на 50-70% состоит из частиц хорошо спекающегося угля. Во время обработки угольной смеси крупность и поток питания коксовой печи может регулироваться только изменением технических параметров дробильного оборудования. По этой причине зачастую частицы более твердых материалов измельчаются недостаточно, а частицы более мягкого материала переизмельчаются; хотя было бы логичным наоборот требовать более мелкого измельчения твердого материала и допускать большую крупность мягкого. Это влияет на конечные качества и прочность спекаемого кокса.

Подобное явление характерно для многих коксохимических предприятий Китая. В связи с требованиями, предъявляемыми к коксу, контроль за пропорциями крупности угля и снижение себестоимости производства кокса являются главными целями и направлением развития коксохимических предприятий на коксовом рынке. Уровень измельченности в составе готовой угольной смеси, используемой в трамбовочной коксовой печи, увеличился с 87-88% до более чем 90%. При коксовании в печи загрузкой сверху уровень измельченности увеличился с 76-78% до более чем 80%. Именно эти 2-4% являются довольно сложно достижимыми для коксохимических предприятий, имеющих уже сформированную технологию подготовки угля. Но некоторые из этих предприятий пытаются найти способы и технологические решения для улучшения качества выпускаемой продукции.

2) Проблемы двухэтапного измельчения

Во избежание появления проблем, связанных с переизмельчением мягкого материала и слишком большой крупностью частиц твердого материала, коксохимические предприятия стали применять двухэтапное измельчение, то есть предварительно измельчать слабоспекающийся уголь до -1мм с последующим смешиванием и повторным измельчением всей смеси. Данная технология позволяет эффективно контролировать содержание частиц большой крупности, но не устраняет проблем, связанных с переизмельчением мелких классов. Во-первых, потому что степень дробления в дробильном оборудовании равна i=10~30, частицы -3 мм содержащиеся в рядовом угле в количестве 57,51% вследствие ударов молотков (60~80м/с) дробятся и истираются до крупности 0.5 мм и менее (3мм/10=0.3мм). Во-вторых, дробилка не способна к селективному дроблению, весь процесс дробления является «дроблением вслепую». Вне зависимости от твердости угля, в случае двухэтапного измельчения, имеет место переизмельчение как хорошо спекающегося, так и слабоспекающегося угля.

3) Повышение измельченности угля, не ведущее к переизмельчению

Известно, что частицы -0.5 мм в составе угольной шихты нежелательны при ее спекании, а идеальной является крупность в промежутке от 0.5 мм до 3 мм, которая регулируется в зависимости от качественных характеристик кокса. При загрузке сверху размер частиц контролируется в диапазоне от 0.5 мм до 5 мм. Повышение измельченности угля подразумевает под собой увеличение содержания подходящих по крупности и форме частиц на всем объеме угольной смеси и уменьшение количества содержания частиц -0.5 мм.

4. ВРЕД ПЕРЕИЗМЕЛЬЧЕНИЯ

При излишней измельченности (-0.5мм) повышается удельная площадь поверхности инертных частиц, что приводит к излишней адсорбции активных частиц и снижению количества коллоидного вещества, увеличению вязкости, снижению текучести и влечет за собой снижение давления расширения, что плохо сказывается на силе сцепления внутри материала.

Таким образом, переизмельченность материала может понизить его удельный вес, что влечет за собой понижение прочности кокса и снижение производительности при его производстве.

Повышение количества пыли (-0.5мм), появляющейся в процессе переизмельчения, осложняет процесс загрузки материала, способствует повышению количества масляного остатка в воздуховодах, снижению качества коксового дегтя и даже приводит к блокировке подъемного трубопровода.

Угли, имеющие разные качественные характеристики, как, например, слабоспекающийся уголь, 1/3 коксующийся уголь, тощий уголь и т. д. требуют очень мелкого измельчения и не должны переизмельчаться.

Переизмельченный уголь, в первую очередь, влияет на прочность кокса. Что касается хорошо спекаемых углей, таких как коксующийся и жирный уголь, то они должны быть измельчены довольно крупно, их переизмельчение влечет понижение насыпной плотности, увеличение пространства между частицами. При пиролизе частиц маленькой крупности продукты газовой фазы, образующиеся внутри частиц, легко улетучиваются. В процессе пиролиза свободному водороду не хватает времени для образования свободных радикалов, что снижает коэффициент выработки продуктов жидкостной фазы и как следствие — снижает адгезию внутри материала.

Также переизмельчение приводит к следующим проблемам:

1) После измельчения угольной шихты увеличивается содержание частиц -0.5 мм.

Данный класс частиц при загрузке в котел производит большое количество пыли, которая удаляется пылеуловителями, что влечет за собой расточение часто переизмельчаемых мягких углей, таких как коксовый уголь, 1/3 коксующийся уголь и т. д.

2) Потери угля.

Входящие в состав угольной смеси мягкие угли с подходящей крупностью частиц (-5мм), являются углями склонными к переизмельчению и превращению в пыль -0.5 мм. Естественная потеря этой части угля приводит к изменению компонентов других углей перед поступлением в печь, а доля коксующегося угля уменьшается, что приводит к самоистощению или потерям угля.

3) Образование графитного слоя.

При загрузке печи угольная пыль поднимается наверх и нагревается, оседая на верхней части печи и образуя твердый графитовый слой. Это влияет на производительность печи, а так же существует опасность того, что этот слой будет отваливаться и приводить к засорению и блокировке труб.

4) Повышение нагрузки на дробилку.

Влияет на срок службы молотков, повышая износ запчастей.

5. Эффективные решения проблемы переизмельчения.

В соответствии с индексом работы Wi Бонда, на диаграмме приведена информация по энергопотреблению на каждой из процедур углеподготовки.

На диаграмме видно, что расход электроэнергии при грохочении тонны материала составляет 1/10 от расхода при дроблении, а расход при дроблении составляет 1/10 от расхода при измельчении. Передовой и энергосберегающей концепцией в области переработки минерального сырья является концепция «Больше грохочения для меньшего дробления. Больше дробления для меньшего измельчения». Эта концепция особо актуальна для предприятий, где в составе необработанного сырья уже имеется примерно 57% необходимой фракции. Поэтому, в соответствии требованиями, предъявляемыми на рынке к экономии электроэнергии и к экологичности производства, необходимо добавление отделения предварительного грохочения перед угольной дробилкой.

2) Сложность в классификации мелкого, влажного и липкого углей.

Существенной проблемой для отрасли является выделение вышеописанной фракции (-3мм), имеющей 11~15% влажность, из общей массы липкого и влажного угля. Начиная с 70 годов, КНР пробовала использовать грохот с активной декой типа flip – flop, вибрационный, струнный и другие грохота для грохочения материала -6мм, и не один из них не удовлетворил требованиям рассева, а рассев материала крупностью -3мм вообще не представлялся возможным. Главная причина данной проблемы заключается в том, что частицы угля под воздействием силы поверхностного натяжения воды слипаются в агломераты и блокируют ситовую поверхность. Также имеет место блокировка отверстий частицами пограничной крупности. Следует учесть, что показатели вязкости и влажности коксующегося угля еще более высокие.
Изначально, коксохимический завод в городе Шицзячжуан предлагал снизить содержание класса -0.5мм путем увеличения количества грохочения, но из-за отсутствия надлежащих технологий этот проект не был закончен. Также компания Xuanhua Iron and Steel Co., Ltd. ранее проводила испытания вибрационного грохота с эластичными стержнями, но желаемые результаты не были достигнуты, а эффективность вибрационных грохотов изготовленых Benxi Steel и Handan Steel оказалась крайне низкой.

3) Разрешение проблемы мелкой классификации(-3мм) с помощью новой технологии грохочения грохота CRS.

В традиционных грохотах (вибрационный, валковый и т.д.) все четыре стороны, составляющие ситовое отверстие, статичны. По этой причине влажный и липкий материал под влиянием силы поверхностного натяжения воды на поверхности частицы легко налипает на ситовых поверхностях. В то же время мелкие частицы склонны слипаться в агломераты и тем самым блокировать ситовые отверстия. Ранее предпринимались попытки разрешить данную проблему с использованием высокоамплитудного грохота и путем увеличения скорости вибрации на вибрационных грохотах, но данное решение не было эффективным потому, что центробежная сила частиц во время вибрации намного меньше силы сцепления между частицами и между частицами и ситовой поверхностью. Увеличение скорости вибрации также отрицательно сказалось на надежности оборудования.

Конструкторский отдел компании Гонбэй провел ряд исследований и испытаний, связанных с проблемами грохочения и разработал валково-дисковый грохот CRS, реализовав в нем идею подвижных ситовых отверстий и технологию самоочищения. Пройдя через 8 лет эксплуатационных испытаний, данный грохот подтвердил свою эффективность на практике, тем самым, решив проблему эффективного грохочения мелких классов. В 2016 году первый грохот был запущен в Линхуань провинция Аньхой и обратил на себя внимание всей отрасли в Китае. В 2018 году Завод Лиуган провинция Гуанчжоу выбрал данный грохот для переоборудования устаревшего коксового предприятия. Также данное оборудование было установлено на коксохимическом предприятии Шоуган и Хэймао. В 2019 году данное оборудование было установлено на предприятиях Бэнган и Бейин, кроме того, данное оборудование было установлено на предприятии Лиуган в рамках проекта «Ченьсян» и т.д.

Валково-дисковый грохот CRS успешно используется коксохимической отраслью. Передовые технические решения, реализованные в грохотах CRS, позволяют вносить значительные улучшения в технологию традиционной обработки угля, обеспечивают возможность стабильного прогресса и экономического роста для коксохимических предприятий.

6. Анализ эксплуатационной эффективности валково-дискового грохота CRS.

Возьмем коксовое предприятие с производительностью 1500000 тонн в год как пример.

1) Увеличение качества кокса, уменьшение выхода коксовой пыли.

На коксохимическом предприятии Тайфу используется угольная смесь с содержанием в ней порядка 46% легкодробимого коксующегося угля, жирного угля порядка 14%, два данных вида угля занимают 60% угольной смеси. Установка отделения предварительной классификации способствует отделению частиц целевой фракции из материала питания, снижая тем самым процент переизмельчения. Стало возможным уменьшение содержания фракции 0-0.5 мм до более чем 30-50% и повышение тем самым спекаемости угольной смеси и ее прочности, также уменьшилось количество пыли в коксе с 8% до 5%. Уменьшение пыли в коксе повысило количество вырабатываемого кокса на 45000 тонн. Разница в цене кокса и коксовой пыли равна 900 юаней за тонну (2250-1350=900), таким образом, прибыль в год составляет 40500000 юаней.

2) Экономия высококачественных углей.

Снижение коэффициента передрабливания уменьшило потери угля при загрузке в котел, снизило потери связанные с графитизацией пыли. Для получения 1,5 млн. тонн кокса необходимо 1,95 млн. тонн угольной смеси. После первой стадии дробления содержание фракции -0.5 мм составляет примерно 30%, это примерно 0,585 млн. тонн. Избежав потерь угольной пыли в размере 0,5% при цене угольной смеси 1369 юаней за тонну (коксующийся + жирный уголь), экономия угля в год может составлять 2925 тонн, что примерно равно 4 млн. юаней. Данные потери угля, как правило, неочевидны.

3) Улучшение химических свойств продукта, улучшение эксплуатационной стабильности продукта.

Интересы коксохимических предприятий распространяются так же и на коксовую промышленность, особенно во времена застоев на рынке кокса. Химические производства стали подходящей отраслью для поддержания функционирования коксохимических предприятий. Снижение коэффициента передрабливания может снизить выход угольной пыли
крупностью -0.5 мм, тем самым значительно снизив образование смол в системах воздуховодов. Таким образом, чистый коксовый газ будет способствовать улучшению качества коксового дегтя. Данную технологию сложно обосновать с помощью конкретных данных, но она имеет огромное влияние в рамках всего предприятия.

4) Решение проблемы высокой крупности твердых углей и переизмельчения мягких углей на первой стадии дробления.

После предварительной классификации угля, входящего в состав угольной шихты (коксующийся и жирный уголь), на первой стадии дроблению подвергается только материал высокой крупности и тощий уголь. Таким образом на выходе получается достаточно мелкий тощий уголь и достаточно измельченные для подачи в котел жирный и коксующийся угли. Смешение углей правильной крупности решает проблему неравномерного утолщения кокса, улучшает качество кокса и повышает его конкурентоспособность на рынке.

5) Снижение нагрузки на дробилку, экономия энергоресурсов.

Содержание класса -3мм в угле до дробления составляло 57,51% (по факту крупность подаваемых в котел углей могла достигать 5-6мм). Если отсеять 70% класса -3мм, содержащегося в питании дробилки (в условиях отсутствия грохота с производительностью 100%), нагрузка на дробилку снизится на 160 т/ч (реверсивная молотковая дробилка PCKF1820, производительность 400т/ч, установленная мощность 800кВт, 6КВ), расход энергии дробилкой может снизиться более чем на 20А, экономия в час составит 120 кВт. Исходя из стоимости 0.4юаня за киловатт, экономия составит 48 юаней в час, 230000 юаней в год. В то же время срок службы молотков увеличится на 40%.

6) Повышение производительности всей производственной линии, уменьшение расхода электроэнергии системой углеподготовки.

При наличии стадии предварительной классификации, в случае если нагрузка на дробилку остается постоянной, производительность всей линии может быть увеличена на 100-160т/ч. В случае увеличения производительности на 100 т/ч, время работы системы может быть снижено примерно на 6 часов в день. При расходе электроэнергии всей линией 1000квт/ч ежедневная экономия составит 6000кВт, экономия в течение года составит 864000 юаней.

7) Отношение вложенных капиталов к их отдаче.

Реализация технологий, указанных в пунктах 1-6 не требует увеличения стоимости сырья, но может быть достигнута добавлением оборудования предварительного грохочения в секцию дробления. Стоимость оборудования для предварительной сортировки составляет порядка 3,5 млн юаней. Таким образом, чистая прибыль за первый год составит 41,868,300 юаней, 45,368,300 юаней в последующие годы, а общий доход за 10 лет составит 453,6 млн. юаней. Добавление секции предварительного грохочения позволит предприятиям получить максимальную прибыль при минимальных вложениях.

Появление технологии тонкой классификации сырья валково-дисковыми грохотами CRS решило давнюю проблему отрасли. Многие коксохимические предприятия уже утвердили грохот CRS в новых проектах строительства, а также для реконструкций существующих предприятий.

В заключении необходимо отметить, что добавление в процессы углеподготовки предварительного грохочения принесет огромные экономические выгоды предприятиям коксохимической отрасли. Применение новых технологий не только приведет к повышению производительности, но и повысит жизнеспособность предприятий в условиях жесткой конкуренции. Традиционный технологический процесс и коксовая печь малой мощности (<6 м) постепенно выводятся из употребления. В ближайшем будущем производство стали в Китае трансформируется от повышения валового выпуска в сторону улучшения качества продукции, что кардинально меняет требования рынка к исходному сырью. Классификация с помощью грохотов CRS сделала возможным повышение качества кокса и усовершенствование процессов углеподготовки на коксохимических предприятиях.

по материалам Shijiazhuang Gongbei Heavy Machinery 碎前增设预筛效益分析（安徽铜陵焦化厂