Установка сухого тушения кокса

Установка сухого тушения кокса (УСТК) — это промышленный агрегат, предназначенный для охлаждения раскалённого кокса (температурой 1000–1100 °C) инертным газом в замкнутом цикле с последующей утилизацией физического тепла для генерации пара и электроэнергии. Относится к классу теплообменных и газоочистных установок коксохимического производства. Основная функция — замена мокрого тушения водой, что позволяет снизить выбросы загрязняющих веществ, уменьшить расход воды и повысить качество кокса.

История

Первые промышленные УСТК были разработаны и внедрены в СССР в 1960-х годах на Магнитогорском металлургическом комбинате. Необходимость создания таких установок была обусловлена экологическими требованиями: при мокром тушении кокса водой в атмосферу выбрасывались пары, содержащие фенолы, цианиды, аммиак и сероводород. В 1970–1980-е годы УСТК активно внедрялись на крупных коксохимических предприятиях (КХП) России, Украины, Казахстана. К началу 2000-х годов доля сухого тушения в общем объёме производства кокса в России превысила 60 %. В настоящее время УСТК являются обязательным элементом современных коксохимических заводов, особенно в странах с жёсткими экологическими нормативами.

Принцип действия

УСТК работает по замкнутому циклу. Раскалённый кокс из коксовой печи (температура 1000–1100 °C) поступает в камеру тушения (форкамеру), где продувается инертным газом — обычно азотом или смесью азота с диоксидом углерода. Газ нагревается до 750–850 °C, а кокс охлаждается до 150–250 °C. Нагретый газ направляется в котёл-утилизатор, где отдаёт тепло воде, превращая её в пар высокого давления (4–10 МПа, температура 440–540 °C). Охлаждённый газ (до 150–200 °C) очищается от пыли в циклонах и рукавных фильтрах, затем возвращается в камеру тушения. Охлаждённый кокс выгружается на конвейер и направляется на сортировку.

Основные стадии цикла

1. Загрузка кокса — вагоном-коксовозом или скиповым подъёмником.
2. Тушение — продувка инертным газом в течение 1–2 часов.
3. Выгрузка — через герметичный затвор.
4. Рекуперация тепла — в котле-утилизаторе.
5. Очистка газа — от пыли (остаточная запылённость не более 10 мг/м³).

Устройство

Типовая УСТК состоит из следующих основных узлов:

• Камера тушения — вертикальный или наклонный цилиндрический аппарат с футеровкой из огнеупорного кирпича. Внутри установлены газораспределительные решётки.
• Котёл-утилизатор — барабанный или прямоточный парогенератор, работающий на горячем газе.
• Система газоочистки — циклоны (первичная очистка) и рукавные фильтры (тонкая очистка).
• Газодувка — вентилятор или компрессор для циркуляции инертного газа.
• Система подачи инертного газа — баллоны с азотом или установка получения азота из воздуха.
• Устройства загрузки и выгрузки — герметичные затворы, шиберы, конвейеры.

Классификация

УСТК классифицируются по нескольким признакам:

По типу камеры тушения

• Вертикальные — кокс движется сверху вниз под действием силы тяжести. Наиболее распространённый тип.
• Горизонтальные — кокс перемещается по горизонтальному каналу. Используются реже, обычно на маломощных установках.
• Комбинированные — сочетают вертикальную и горизонтальную секции.

По способу циркуляции газа

• С естественной циркуляцией — газ движется за счёт разности плотностей нагретого и холодного газа. Малоэффективны, применяются в старых установках.
• С принудительной циркуляцией — газ перемещается вентилятором или компрессором. Обеспечивает более равномерное охлаждение.

По производительности

• Малые — до 50 т/ч кокса.
• Средние — 50–100 т/ч.
• Крупные — свыше 100 т/ч.

Характеристики

Основные технические параметры УСТК:

Применение

УСТК используются на коксохимических предприятиях чёрной металлургии. Кокс, полученный сухим тушением, имеет более высокую механическую прочность (показатель M25 на 1–2 % выше), меньшую зольность и влажность (0,1–0,5 % против 3–6 % при мокром тушении). Это улучшает его потребительские свойства в доменном производстве. Кроме того, УСТК позволяют:

• Снизить выбросы фенолов, цианидов, аммиака на 90–95 % по сравнению с мокрым тушением.
• Уменьшить расход воды на 1–2 м³ на тонну кокса.
• Получать пар высокого давления, который используется для выработки электроэнергии (до 20–30 кВт·ч на тонну кокса) или технологических нужд.

Экологические аспекты

УСТК являются одним из основных средств снижения экологической нагрузки коксохимического производства. При мокром тушении в атмосферу выбрасывается до 0,5–1,0 кг фенолов, 0,2–0,5 кг цианидов и 0,1–0,3 кг аммиака на тонну кокса. При сухом тушении эти выбросы практически отсутствуют. Однако УСТК требуют герметизации всех узлов, чтобы исключить утечки инертного газа и пыли. Современные установки оснащаются системами автоматического контроля герметичности и газоанализаторами.

Экономическая эффективность

Капитальные затраты на строительство УСТК в 2–3 раза выше, чем на мокрое тушение (с учётом очистных сооружений). Однако эксплуатационные расходы ниже за счёт:

• Отсутствия затрат на воду и её очистку.
• Получения пара и электроэнергии.
• Увеличения срока службы коксовых печей (из-за более равномерного охлаждения кокса).
• Снижения затрат на ремонт газоочистного оборудования.

Срок окупаемости УСТК составляет 3–5 лет в зависимости от производительности и стоимости энергоносителей.

Примеры в России

Крупнейшие УСТК в России установлены на:

• Магнитогорский металлургический комбинат (Челябинская область) — 6 установок общей производительностью до 600 т/ч.
• Новолипецкий металлургический комбинат (Липецкая область) — 4 установки.
• Западно-Сибирский металлургический комбинат (Кемеровская область) — 3 установки.
• Коксохимическое производство «Северстали» (Вологодская область) — 2 установки.

Интересные факты

• Первая в мире УСТК была построена в 1950-х годах в Германии, но широкое распространение получила именно в СССР.
• В 1970-х годах советские инженеры разработали конструкцию УСТК с котлом-утилизатором, работающим на сверхкритических параметрах пара (давление 14 МПа, температура 565 °C), что позволило повысить КПД установки до 85 %.
• В Китае, крупнейшем производителе кокса, доля УСТК превышает 80 %, что связано с жёсткими экологическими требованиями.

Источники

• Коксохимическое производство: учебник для вузов / под ред. В. И. Ковалёва. — М.: Металлургия, 2005. — 480 с.
• Технология коксования: справочник / под ред. А. А. Агроскина. — М.: Металлургия, 1990. — 320 с.
• Экологические проблемы коксохимии / под ред. Ю. С. Карабасова. — М.: Наука, 2008. — 240 с.
• ГОСТ Р 51568-2000 «Кокс каменноугольный. Методы определения прочности». — М.: Госстандарт, 2000.
• Отчёты ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» по модернизации УСТК, 2015–2020 гг.