Сухое тушение кокса

Сухое тушение кокса (СТК) — это технологический процесс охлаждения раскалённого кокса после выдачи из коксовой печи без использования воды, с применением инертного газа (преимущественно азота) и последующей утилизацией физического тепла кокса для производства пара и электроэнергии. Является альтернативой традиционному мокрому тушению, при котором кокс охлаждается водой, что приводит к потерям тепла и загрязнению окружающей среды.

История

Первые промышленные установки сухого тушения кокса появились в СССР в 1960-х годах. Разработка технологии была обусловлена необходимостью снижения вредных выбросов в атмосферу (паров воды с примесями фенолов, цианидов, сероводорода) и повышения энергоэффективности коксохимического производства. В 1965 году на Криворожском коксохимическом заводе была введена в эксплуатацию первая опытно-промышленная установка СТК. К началу 1980-х годов в СССР действовало более 30 установок СТК на крупнейших коксохимических предприятиях (например, на Магнитогорском, Череповецком, Нижнетагильском металлургических комбинатах).

В 1990-е — 2000-е годы технология получила широкое распространение в Китае, Японии, Германии и других странах с развитой чёрной металлургией. В России в 2010-х годах была проведена модернизация ряда установок СТК с увеличением производительности и повышением КПД.

Принцип действия

Процесс сухого тушения кокса основан на циркуляции инертного газа (обычно азота с содержанием кислорода не более 1–2 %) через слой раскалённого кокса. Кокс, выданный из коксовой печи при температуре 1000–1100 °C, загружается в герметичную камеру тушения. Снизу в камеру подаётся холодный азот, который, проходя через слой кокса, нагревается до 750–850 °C. Нагретый газ направляется в котёл-утилизатор, где отдаёт тепло воде, превращая её в пар высокого давления (4–10 МПа). Пар затем используется для выработки электроэнергии в паровых турбинах или для технологических нужд предприятия.

Охлаждённый до 150–250 °C кокс выгружается из камеры и после дополнительного охлаждения на конвейере поступает на сортировку. Отработанный азот после котла-утилизатора очищается от пыли в циклонах и рукавных фильтрах, затем охлаждается и вновь подаётся в камеру тушения. Цикл замыкается.

Оборудование и конструкция

Основные элементы установки сухого тушения кокса:

• Камера тушения — герметичный вертикальный аппарат цилиндрической или прямоугольной формы, футерованный огнеупорным кирпичом. Внутри камеры устанавливаются газораспределительные решётки для равномерной подачи азота.
• Котёл-утилизатор — теплообменник, в котором горячий азот нагревает воду с образованием пара. Обычно представляет собой барабанный или прямоточный котёл с развитой поверхностью нагрева.
• Система газоочистки — включает циклоны для грубой очистки и рукавные или электрофильтры для тонкой очистки от коксовой пыли.
• Газодувки — вентиляторы или компрессоры, обеспечивающие циркуляцию азота в контуре.
• Система загрузки и выгрузки — герметичные затворы, шлюзовые питатели, конвейеры для подачи кокса в камеру и удаления охлаждённого кокса.
• Азотная станция — установка для получения азота из атмосферного воздуха (мембранная или адсорбционная) или подключение к заводской сети азота.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Энергоэффективность: утилизируется до 80–85 % физического тепла кокса (против 0 % при мокром тушении). Полученный пар позволяет снизить потребление топлива на ТЭЦ предприятия или вырабатывать электроэнергию.
• Экологичность: отсутствие выбросов паров воды с токсичными компонентами (фенолы, аммиак, цианиды, сероводород). Снижение загрязнения атмосферы и почвы.
• Качество кокса: при сухом тушении кокс не растрескивается от резкого охлаждения водой, сохраняет более высокую механическую прочность (показатель M40 и M10 улучшается на 2–5 %). Это повышает эффективность доменной плавки.
• Экономия воды: отсутствие расхода воды на тушение (на 1 тонну кокса при мокром тушении расходуется 0,5–1 м³ воды).
• Снижение коррозии оборудования: отсутствие влаги уменьшает коррозию газоходов и котлов.

Недостатки

• Высокая капиталоёмкость: строительство установки СТК требует значительных инвестиций (в 2–3 раза дороже мокрого тушения аналогичной производительности).
• Сложность эксплуатации: необходимость герметизации, контроля состава газа, очистки от пыли, поддержания стабильного температурного режима.
• Потери кокса при выгрузке: часть мелких фракций кокса уносится с газом и оседает в фильтрах, что требует их утилизации или возврата в процесс.
• Пожароопасность: при нарушении герметичности возможен подсос воздуха и возгорание кокса в камере.

Экологические аспекты

Мокрое тушение кокса является одним из основных источников загрязнения атмосферы в коксохимическом производстве. При контакте раскалённого кокса с водой образуется пар, содержащий фенолы, аммиак, цианиды, сероводород, бенз(а)пирен и другие токсичные вещества. Выбросы достигают 10–20 кг на тонну кокса. Сухое тушение полностью исключает эти выбросы, заменяя их выбросами от сжигания природного газа для получения азота (незначительные) и пылевыми выбросами, которые улавливаются фильтрами.

Согласно российским нормативам, на предприятиях, расположенных вблизи жилой застройки, установка СТК является обязательной для новых коксохимических производств с 2010-х годов. В Китае с 2020 года действует запрет на строительство новых установок мокрого тушения кокса.

Распространение и перспективы

По состоянию на 2023 год, доля сухого тушения кокса в мире составляет около 40–50 % от общего объёма производства кокса. Наибольшее распространение технология получила в Китае (более 60 % кокса тушится сухим способом), Японии (около 90 %), странах Европейского союза (около 50 %). В России доля СТК составляет примерно 30–35 %; установки действуют на крупнейших комбинатах: «Северсталь» (Череповец), Магнитогорский металлургический комбинат, Новолипецкий металлургический комбинат, ЕВРАЗ ЗСМК (Новокузнецк).

Перспективы развития технологии связаны с повышением КПД котлов-утилизаторов, снижением энергопотребления газодувок, использованием более эффективных систем очистки газа. Ведутся разработки по применению сухого тушения для кокса из углей с повышенной реакционной способностью, а также по интеграции СТК с системами улавливания и хранения углекислого газа (CCS).

Интересные факты

• Первая в мире установка сухого тушения кокса была построена в 1917 году в Германии, но из-за технических проблем (низкая надёжность, высокие потери тепла) не получила распространения.
• В СССР технология СТК была доведена до промышленного уровня благодаря работам учёных В. И. Рыбакова, А. И. Беляева и других.
• Экономия топлива при замене мокрого тушения на сухое на одном коксохимическом заводе производительностью 1 млн тонн кокса в год эквивалентна сжиганию около 200 тыс. тонн условного топлива в год.

Источники

• Технология коксохимического производства / Под ред. В. И. Рыбакова. — М.: Металлургия, 1985.
• Справочник коксохимика. Том 2: Производство кокса / Под ред. А. И. Беляева. — М.: Металлургия, 1991.
• Экологические проблемы коксохимического производства / В. В. Старков, А. В. Федосеев. — М.: Энергия, 2005.
• Современные установки сухого тушения кокса / А. Н. Кузнецов, П. В. Смирнов // Кокс и химия. — 2018. — № 5. — С. 22–28.
• Официальные данные ПАО «Северсталь», ПАО «НЛМК», ПАО «ММК» (отчёты об устойчивом развитии, 2020–2023).