Обоснование и разработка технологических процессов модернизации коксохимического производства в сложных экологических условиях: На примере ОАО «Кокс»

Актуальность работы. Уголь является одним из основных источников энергии органического происхождения. Примерно 75−80% добываемого угля направляется на производство энергии, 15−20% используется металлургической и около 2% - химической промышленностью.

Эффективное использование угля как энергоносителя и технического сырья с учетом требований экологии и устойчивого развития (особенно, при осуществляемом в настоящее время повышении его доли в топливно-энергетическом балансе страны) возможно только на основе его предварительной обработки: обогащения, классификации по крупности (сортовой уголь), брикетирования (гранулирования), термической деструкции (коксование, полукоксование, газификация, гидрогенизация).

Коксование является основным методом переработки коксующихся марок углей нагреванием при 900−1050 °С без доступа воздуха. Данный процесс как метод производства металлургического топлива получил относительно широкое развитие. В настоящее время в России коксованию подвергается примерно 18% добываемых хорошо спекающихся углей, преимущественно марок: ГЖ, Ж, К, КС, КСН, Г и их смесей, из которых получают основной продукт — кокс и попутные — смола и газ, являющиеся сырьем для производства широкой гаммы химических продуктов. Коксовй газ используется, главным образом, как высококачественная технологическая и энергетическое топливо. Коксохимическое направление переработки углей сохранится и в дальнейшем, поскольку доменные печи, как основные агрегаты производства чугуна, могут успешно работать только на предварительно переработанном угольном топливе — коксе. В России на 11 коксохимических предприятиях в 1995 году переработано около 36 млн. т угля.

Кузбасс — крупнейший угледобывающий регион и он же располагает мощной коксохимической промышленностью: это коксохимические производства 3.

КМК и ЗСМК (г. Новокузнецк), ОАО «Кокс» (г. Кемерово), Завод полукоксования (г. Ленинск-Кузнецкий). Данные коксохимические производства и предприятия расположены в центре городов, поэтому необходимо обеспечить их устойчивое функционирование, технологическое и техническое совершенствование в соответствии с экологическими требованиями. Для этого крайне необходимо расширение научных исследований по созданию экологичных и рентабельных технологий переработки углей. В частности, необходимо совершенствование наиболее сложных технологических процессов, влияющих на загрязнение окружающей среды: сероцианоочистки коксового газа и очистки коксового газа от аммиака. Поэтому выполненные в работе научные обоснования и разработки по совершенствованию коксохимического производства в экологической и технологической направленности являются актуальными.

Результаты работы были получены автором в процессе выполнения совместных научных исследований с ВУХИНом, Томским политехническим университетом по планам НИР за период 1985;1999 гг.

Цель работы. Повышение экологичности и эффективности технологических процессов термической переработки углей посредством разработки новых технологических решений по совершенствованию процессов очистки коксового газа и получения высокоценной продукции.

Задачи исследования:

— оценить структуру и фактическую нагрузку валовых выбросов вредных веществ, специфичных для коксохимического производства (на примере ОАО «Кокс» г. Кемерово), и дать комплексную оценку технологий для дальнейшей разработки по критериям технического и экологического уровня;

— установить закономерности окисления сероводорода в реальном производственном процессе окислительной каталитической очистки коксового газа от сероводорода и цианистого водорода;

— усовершенствовать технологию улавливания аммиака из коксового газа с получением крупнокристаллического сульфата аммония- 6.

— определить влияние добавки сульфата монометиламина на слеживае-мость сульфата аммония;

— провести термодинамическое моделирование и установить условия и режимы процесса сжигания аммиака в смеси с коксовым газом.

Научная новизна работы заключается в том, что получены научно обоснованные технологические решения для совершенствования процессов улавливания химических продуктов коксования в технологической структуре коксохимического производства, значительно снижающие содержание экологически вредных соединений в выбросах с получением дополнительной ценной продукции. В диссертационной работе:

— получены данные долевого участия выбросов вредных веществ, специфичных для коксохимического производства в г. Кемерово;

— проведен сравнительный анализ по критериям технической и экологической эффективности различных новых технологий в структуре коксохимического производства;

— впервые в реальном промышленном процессе каталитической очистки газа от сероводорода и цианистого водорода определены закономерности окисления сероводорода в цикле абсорбер-регенератор;

— обоснован вывод о сочетании каталитического и прямого окисления сероводорода как на стадии абсорбции, так и регенерации;

— разработано новое технологическое решение при изменении сатураторного процесса получения сульфата аммония;

— с помощью лабораторных и промышленных испытаний установлена высокая эффективность сульфата монометиламина — как антислеживающей добавки к сульфату аммония;

— предложена технология получения водного раствора сульфата монометиламина и нанесения его на сульфат аммония;

— выявлены условия и параметры процесса образования окиси азота при совместном сжигании аммиака и коксового газа. 7.

Практическая ценность результатов работы состоит в том, что полученные научные обоснования и разработанные технологические решения позволяют:

— выполнить экологические требования, предъявляемые коксохимическому производству;

— применить методический подход к обоснованию экологических требований и разработке технологических решений для других коксохимических предприятий и производств, работающих в сложных экологических условиях промышленных городов;

— использовать фталоцианиновые катализаторы для окислительной каталитической очистки коксового газа от сероводорода и цианистого водорода;

— модифицировать технологию сатураторного процесса получения крупнокристаллического сульфата аммония с максимальным использованием действующего технологического оборудования;

— снизить слеживаемость сульфата аммония за счет применения сульфата монометиламина;

— использовать при конструировании реакторов термического разложения и сжигания аммиака данные термодинамических расчетов процесса сжигания пароаммиачной смеси совместно с коксовым газом.

Реализация результатов работы в промышленности.

Основные результаты работы реализованы при разработке проекта модернизации и осуществлении технического и технологического перевооружения Кемеровского коксохимического завода (ОАО «Кокс»), с целью снижения выбросов коксохимического производства в окружающую среду. На заводе были внедрены: технология окислительной каталитической очистки коксового газа от сероводорода и цианида водорода, технология получения сульфата аммония модернизированным сатураторным способом с применением антислеживаю-щей добавки — сульфата монометиламина.

Впервые в отечественной практике коксохимического производства на ОАО «Кокс» внедряется в 2000 году новая высокоэффективная технология 8 очистки коксового газа круговым фосфатным способом со сжиганием аммиака, имеющая общеотраслевое значение.

Личный вклад автора состоит:

— в установлении специфической структуры и объемов вредных выбросов коксохимического производства и комплексной оценке направлений совершенствования технологических процессов для достижения экологического эффекта;

— в обосновании, разработке, создании и промышленном освоении установки очистки коксового газа от сероводорода и цианистого водорода;

— в получении, обобщении и использовании результатов исследований по абсорбции сероводорода и цианистого водорода и регенерации раствора;

— в разработке нового технологического решения при изменении сатураторного процесса получения сульфата аммония;

— в исследовании и проведении производственных испытаний новой анти-слеживающей добавки к сульфату аммония (сульфата монометиламина);

— в разработке технологии приготовления сульфата монометиламина;

— в проведении термодинамических исследований и установлении параметров и режимов сжигания аммиака совместно с коксовым газом.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы рассматривались в ВУХИНе (г. Екатеринбург, 1995;1997 гг.), на научно-практической конференции по проблемам экологии (г. Кемерово, 1997 г.), на научно-технических совещаниях АО «Росуголь» по реструктуризации угольной промышленности Кузбасса (1995;1997 гг.), на научно-технических советах ОАО «Кокс» (1989;1999 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 14 работах, в том числе в 1 монографии, 9 статьях в журнале «Кокс и химия», 3 тезисах докладов на научно-практических конференциях и 1 авторском свидетельстве. 9.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав и выводов, изложена на 119 страницах машинописного текста, содержит 26 рисунков, 26 таблиц, список литературы из 75 наименований.

ВЫВОДЫ.

В диссертационной работе на основе проведенных исследований изложены научно обоснованные технологические разработки по совершенствованию процессов коксохимической переработки углей, обеспечивающие снижение вредных выбросов и повышение эффективности коксохимического производства.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Выбросы в атмосферу вредных веществ, специфических для коксохимического производства, включают угольную пыль, сажу, нафталин, аммиак, сероводород, цианистый водород, бензол, фенол, пиридин. Доли выбросов коксохимпроизводства (по показателю условной токсичности) по этим веществам в городе велики (от 58 до 100%). Снижение загрязнения атмосферного воздуха этими веществами является первоочередными мероприятиями при модернизации завода.

2. По результатам исследований и разработок сделана комплексная оценка технологий по критериям технического и экологического совершенства. Лучшими характеристиками отличаются процессы улавливания аммиака фосфатным способом со сжиганием аммиака, каталитическая сероцианоочистка газа, модифицированный сатураторный процесс получения сульфата аммония.

3. Изучены закономерности совмещенной окислительной каталитической сероцианоочистки коксового газа с использованием фталоцианина кобальта в качестве катализатора. Впервые установлено, что в реальном процессе окислительно-восстановительной реакции фталоцианина кобальта с кислородом и сероводородом протекают как в абсорбере, так и в регенераторе. Доля химических превращений сероводорода в абсорбере достигает 50%. До 20% сероводорода по механизму прямого окисления.

113 кислородом превращаются в сульфат аммония, 80% сероводорода реагируют с образованием полисульфида.

4. Разработан способ модернизации сатураторного процесса получения сульфата аммония при минимальных капиталовложениях. Технология обеспечивает получение сульфата аммония высшего сорта и увеличение выработки пиридиновых оснований при снижении затрат производства.

5. Проведены лабораторные и промышленные испытания новой антислеживающей добавки к сульфату аммония — сульфата монометиламина. Испытания показали ее высокую эффективность. Слеживаемость удобрения снижается практически на 100%.

6. Термодинамическое моделирование на ЭВМ процесса сжигания аммиака в смеси с коксовым газом показало, что при температуре выше 1300 °К аммиак в бескислородной среде разлагается на азот и водород. Зависимость содержания N0 в продуктах горения от температуры и коэффициента избытка воздуха позволяет прогнозировать экологически приемлемые рабочие режимы сжигания (температура 1300−1500 °К, коэффициенты избытка воздуха ос=1,1-^-1,3).

7. Практическая реализация результатов исследований в виде разработанных технологий позволила провести модернизацию коксохимического производства ОАО «Кокс», выполнить экологические требования и обеспечить повышение эффективности производства.