Как сделать кокс из угля

Обновлено: 06.07.2024

Коксование - это разложение при высокой температуре без доступа воздуха твердых и жидких горючих ископаемых с образованием летучих веществ и твердого остатка - кокса.

Коксование - это разложение при высокой температуре без доступа воздуха твердых и жидких горючих ископаемых с образованием летучих веществ и твердого остатка - кокса.

Сырье для получения нефтяного кокса

Качество сырья оказывает первостепенное влияние на характеристики конечного продукта − нефтяного кокса.

Производство кокса в СНГ в основном осуществляется на установках замедленного коксования (УЗК).

Характерной особенностью условий работы УЗК является использование в качестве сырья разнообразных смесей, остающихся на заводах в результате переработки нефти.

тяжелые фракции нефти, образующиеся в результате атмосферной и вакуумной перегонки нефти (мазут, полугудрон, гудрон),
тяжелые нефтяные остатки (ТНО):
- тяжелый газойль каталитического крекинга,
- остатки масляного производства (асфальт пропановой деасфальтизации гудрона, экстракты фенольной очистки масел и др.).
Из всех нефтяных остатков, склонных к образованию различных видов структур кокса, предпочтительными считаются ароматические концентраты (дистиллятный крекинг-остаток) и некоторые другие высокомолекулярные углеводороды.

По этой причине дистиллятное сырье относят к перспективным видам сырья.

НПЗ имеют разные производственные условия и работают на различной нефти, поэтому для каждого НПЗ установки замедленного коксования строились с учетом конкретных условий.

Среди основных параметров, определяющих качество нефти, таких как плотность, фракционный и химический состав нефтепродуктов, наиболее значимыми являются плотность и показатель сернистости.

Сера − одна из самых нежелательных примесей в составе сырой нефти и конечного продукта − кокса.

В зависимости от массовой доли серы кокс, так же как и нефть, классифицируется на малосернистый, сернистый, высокосернистый.

Сернистый кокс отличается менее благоприятными свойствами, по сравнению с малосернистым коксом: вызывает коррозию оборудования, повышенное количество трещин в электродных изделиях, разрушение огнеупорной кладки печей прокаливания, вследствие чего его использование ограничено определенными областями.

Нефть, поступающая на нефтеперерабатывающие заводы, различается по составу, особенно по содержанию серы.

Для для России характерна переработка в основном сернистой и высокосернистой нефти.

К малосернистым (нефть с содержанием серы менее 0,5%) относят большую часть бакинской, грозненской, сахалинской, туркменской и некоторой украинской нефти, а также казахстанской нефти.

Сернистую нефть с содержанием серы 0,5-2,5% добывают в Урало-Поволжском районе (Туймазинское, Ромашинское месторождения и другие), в Западной Сибири (Самотлорское, Нижневартовское, Мегионское и другие).

К высокосернистым (нефть с содержанием серы более 2,5%) относятся месторождения − Арланское, Радаевское, Покровское (Урало-Поволжский район).

В настоящее время основным сырьем для получения кокса являются сернистая нефть.

Применение технологий, позволяющих получать качественный кокс независимо от состава исходной нефти, решает многие проблемы:
- обеспечивает электродную промышленность качественным сырьем,
- позволяет задействовать в производстве более широкий диапазон нефти,
- углубить процесс переработки нефти на НПЗ.
С целью обессеривания конечного продукта применяется прокаливание кокса.

Еще один путь получения обессеренного нефтяного кокса из высокосернистых марок нефти − это предварительное удаление серы из сырой нефти методом гидрообессеривания, гидрокрекинга, или деасфальтизации.

Этот вариант считается более действенным, несмотря на то, что является более сложным и требует дополнительных затрат.

На российские заводы нефть поставляется, главным образом, по системе магистральных нефтепроводов (МНП) Транснефти, в которой Западно-Сибирская нефть, марки Siberian Light смешивается с более тяжелой и сернистой нефтью марки Urals.

Способы получения сырого и обожженного нефтяного кокса

Коксование нефтяного сырья − наиболее жесткая форма термического крекинга нефтяных остатков.

Осуществляется при низком давлении и температуре 480-560 оС, с целью получения нефтяного кокса, а также углеводородных газов, бензинов и керосино-газойлевых фракций.

При коксовании происходит расщепление всех компонентов сырья с образованием жидких дистиллятных фракций и углеводородных газов; деструкция и циклизация углеводородов с интенсивным выделением керосино-газойлевых фракций; конденсация и поликонденсация углеводородов и глубокое уплотнение высокомолекулярных соединений с образованием сплошного коксового остатка.

Промышленный процесс коксования осуществляется на установках 3 х типов: периодическое коксование в коксовых кубах, замедленное коксование в камерах, непрерывное коксование в псевдоожиженном слое кокса-носителя.

Замедленное коксование

Замедленное (полунепрерывное) коксование наиболее широко распространено в мировой практике.

Сырье, предварительно нагретое в трубчатых печах до 350-380 оС, непрерывно поступает на каскадные тарелки ректификационной колонны (работающей при атмосферном давлении), стекая по которым, контактирует с поднимающимися навстречу парами, подаваемыми из реакционных аппаратов.

В результате тепло- и массообмена часть паров конденсируется, образуя с исходным сырьем так называемое вторичное сырье, которое нагревается в трубчатых печах до 490-510 о С и поступает в коксовые камеры − полые вертикальные цилиндрические аппараты диаметром 3-7 м и высотой 22-30 м.

В камеру реакционная масса непрерывно подается в течение 24-36 часов и благодаря аккумулированной ею теплоте коксуется.

После заполнения камеры коксом на 70-90% его удаляют, обычно струей воды под высоким давлением (до 15 МПа).

Кокс поступает в дробилку, где измельчается на куски размером не более 150 мм, после чего подается элеватором на грохот, где разделяется на фракции 150-25, 25-6 и 6-0,5 мм.

Камеру, из которой выгружен кокс, прогревают острым водяным паром и парами из работающих коксовых камер и снова заполняют коксуемой массой.

Летучие продукты коксования, представляющие собой парожидкостную смесь, непрерывно выводятся из действующих камер и последовательно разделяются в ректификационной колонне, водоотделителе, газовом блоке и отпарной колонне на газы,

Типичные параметры процесса: температура в камерах 450-480 о С, давление 0,2-0,6 МПа, продолжительность до 48 часов.
Достоинства замедленного коксования − высокий выход малозольного кокса.

Из одного и того же количества сырья этим методом можно получить в 1,5-1,6 раза больше кокса, чем при непрерывном коксовании.

На российских НПЗ эксплуатируются 1-блочные и 2-блочные установки коксования (каждый блок состоит из 2 х или 3 х реакторов) нескольких типов.

Компоновка, проектирование установок произведены по проектам институтов Гипронефтезаводы и ВНИПИнефть.

Периодическое коксование

Проводят в горизонтальных цилиндрических аппаратах диаметром 2-4 м и длиной 10-13 м.

Сырье в кубе постепенно нагревают снизу открытым огнем.

Далее обычным способом выделяют дистилляты, кокс подсушивают и прокаливают (2-3 часа).

После этого температуру в топке под кубом постепенно снижают и охлаждают куб сначала водяным паром, а затем воздухом.

Когда температура кокса понизится до 150-200 о С, его выгружают.

Типичные параметры процесса: температура в паровой фазе 360-400 о С, давление атмосферное.

Этим способом получают электродный и специальный виды высококачественного кокса с низким содержанием летучих.

Однако способ малопроизводителен, требует большого расхода топлива, а также значительных затрат ручного труда и поэтому почти не используется в промышленности.

Непрерывное коксование в кипящем слое (термоконтактный крекинг)

Сырье, предварительно нагретое в теплообменнике, контактирует в реакторе с нагретым и находящимся во взвешенном состоянии инертным теплоносителем и коксуется на его поверхности в течение 6-12 минут.

В качестве теплоносителя используется обычно порошкообразный кокс с размером частиц до 0,3 мм, реже более крупные гранулы.

Образовавшийся кокс и теплоноситель выводят из зоны реакции и подают в регенератор (коксонагреватель).

Там слой теплоносителя поддерживается во взвешенном состоянии с помощью воздуха, в токе которого выжигается до 40% кокса, а большая его часть направляется потребителю.

Благодаря теплоте, выделившейся при выжигании части кокса, теплоноситель нагревается и возвращается в реактор.

Для перемещения теплоносителя используется пневмотранспорт частиц кокса, захватываемых потоком пара или газа.

Дистиллятные фракции и газы выводят из реактора и разделяют так же, как при замедленном коксовании.

Типичные параметры процесса: температура в теплообменнике 300-320 о С, реакторе 510-540 о С и регенераторе 600-620 о С, давление в реакторе и регенераторе 0,14-0,16 и 0,12-0,16 МПа соответственно, теплоноситель - (6,5-8,0)

Коксование в кипящем слое используют для увеличения выхода светлых нефтепродуктов. Кроме того, сочетание непрерывного коксования с газификацией образующегося кокса может быть применено для получения дизельного и котельного топлива.

Прокаливание

Перед использованием нефтяной кокс обычно подвергается облагораживанию, включающему несколько процессов.

При прокаливании удаляются летучие вещества и частично гетероатомы (например, сера и ванадий), снижается удельное электрическое сопротивление.

При графитировании 2-мерные кристаллиты превращаются в кристаллические образования 3-мерной упорядоченности.

В общем виде стадии облагораживания можно представить следующей схемой: Кристаллиты → карбонизация (прокаливание при 500-1000 о С) → 2-мерное упорядочение структуры (1000-1400 о С) → предкристаллизация (трансформация кристаллитов при 1400 о С и выше) → кристаллизация, или графитированние (2200-2800 о С).

Что такое кокс? Процесс переработки жидкого или твердого топлива путем его нагрева до высоких температур называют коксованием. Результатом становится твердый осадок, впоследствии используемый, как топливный материал – это и есть кокс.

Если говорить проще, то кокс – это твердый (каменный) уголь, запеченный при высоких температурах в специальных печах, температура запекания составляет 950-1200 °C.

Остывание запеченного кокса – одна из конечных стадий производства кокса

Для чего нужен кокс в металлургии? Основная область применения – плавка чугуна для получения железа. До начала 18 века этот процесс происходил с участием древесного угля.

Немного истории

В 1735 году были впервые применены коксовые печи. Они имели камеры сгорания закрытого типа. Тогда же впервые для плавки чугуна не использовали древесный уголь.

Но справедливости ради необходимо отметить, что первое упоминание о коксование угля пришли еще из Китая, в первом веке до н.э. В провинции Юньнань использовали процесс нагревания угля идентичный тому, что все еще используется сегодняшними металлургами. Сырье поддавалось термической обработке в камерах без доступа воздуха.

Производство кокса в дореволюционной России сильно тормозилось. 1913 год промышленность выдала только 4,5 млн. т кокса. Это лишь на 20% покрывало внутренние потребности страны. Более того, не совершенство технологий того времени не позволяло эффективно использовать газовый кокс, он просто выбрасывался в атмосферу. Поэтому у многих до сих пор, есть устойчивые ассоциации о коксовой промышленности: вечно висящие черные тучи, специфический запах по утрам.

Вплоть до 1929 года производство кокса в России, что называется буксовало на одном месте. Уровень выработки неукоснительно сокращался и только с установлением мирных процессов в обществе, КП начала новый виток развития. Причиной тому стало открытие сразу нескольких новых месторождений, дающих сырье, чтобы производить кокс – уголь, подходящий для переработки коксованием. Это на весь мир известные: Кузнецкий, Карагандинский, Печорский угольные бассейны. Тогда же по всей стране началось строительство коксохимических заводов.

Стакер на угольном разрезе

Основные производители на территории страны

Сегодня на территории России создан крупный промышленный холдинг (ПМХ) в состав, которого входят предприятия, производящие кокс.

Часть территории “Московского газового завода” – на фото коксовые батареи, где запекается уголь

Еще одно крупное предприятие, которое невозможно не упомянуть – “Череповецкий металлургический комбинат” – это второй по величине сталелитейный комбинат в России, входит в состав группы компаний “Северсталь”. Имеет в своем составе коксохимическое производство.

Коксовый цех Череповецкого металлургического комбината

Некоторые энциклопедические данные

Как уже было отмечено, к основным направления применения кокса относятся такие:
- производство чугуна;
- обеспечение работы кузниц;
- выполнение функции науглероживателя при использовании новой технологии пылеугогольного вдувания топлива;
- восстановление железной руды;
- топливо.
По способу изготовления или используемого сырья для производства кокса различают следующие виды продукта:
- литейный, доменный или кузнечный;
- нефтяной;
- пековый электродный;
- кокс орех (орешек), иногда называемый мелочью (из-за фракции).
Так выглядит кокс

Применительно к промышленности, в том числе металлургии, под коксом подразумевают топливо, полученной искусственным способом. Температура нагревание сырья достигает следующих значений: 950-1050 °С, с ограничением доступа воздуха или продуктов переработки природного топлива (древесины, например).

Основные отличия сырья для металлургической отрасли

На внешний вид каменноугольный кокс представляет россыпи различных фракций темно-серого (или даже черного) цвета. Это твердый пористый продукт. Плотность кокса разделяется на истинную и кажущуюся. Первая составляет 1.80-1.95 г/см 3 , вторая – приблизительно единица.

Однако эта величина может меняться в зависимости от условий получения, сырья (шихты), других технологических тонкостей. Так, при высоком содержании газовых углей прочность конечного продукта уменьшается. Но при этом наблюдается более легкая воспламеняемость материала.

Если понимать, как делают кокс из угля, то совсем нетрудно увеличить прочность, иногда заменяемую понятием истирание. Это достигается созданием условий для более длительного процесса коксования, что выполняется в основном за счет снижения температуры. Если в первом случае коксование идет при Т 1050 градусов, то во втором – около 950.

Уже было отмечено, где используется кокс, но есть потребность немного повторится:
1. Плавка чугуна, где требуется высококачественное (с низкой долей серы) бездымное сырье.
2. Материал для восстановления железной руды.
3. Обогащение шихты.
4. Литейное производство, как ваграночное топливо, используемое для эксплуатации специальных печей.
Все виды представляют кокс металлургический, но между первым и четвертым пунктами огромная пропасть по типу сырьевой базы. Суть отличий понятна в большей степени специалистам.

Для выплавки чугуна используют кокс доменный. К которому предъявляется ряд специфических требований. Часть из них регламентируется ГОСТ 5.1261-72 (с внесенными изменениями в 1974 году).

Туда входят такие параметры:
- зольность и серность (средние и предельные значения);
- выход летучих веществ;
- два вида показателя прочности М25 и М10;
- допустимый процент присутствия кусков менее 25 мм (максимум 3%);
- средний размер фракции 25-40 мм, но не более 80.
В свою очередь кокс литейный считается более пригодным продуктом для металлургии. Размер фракций варьируется в диапазоне 60-80 мм. Желающий кокс литейный купить могут согласовывать потребности предприятия с ГОСТ 3340-88, по которому регламентируется изготовление этого вида сырья. В нем описываются все те же параметры, что и для доменной разновидности. При этом есть только один показатель прочности М40, который на самом деле имеет промежуточное значение между М10 и М25.

Кокс литейный и цена на него интересует предприятия, занимающиеся производством:
- стали; ;
- машиностроением;
- в других отраслях тяжелой промышленности.
Если сравнивать показатели перечисленных параметров, нетрудно убедиться в том, что литейный кокс в металлургии ценится за следующее:
- меньшее содержание серы (не более 1%);
- слабое выделение легкоиспаряющихся веществ;
- низкая электрическая проводимость;
- высокая реакционная способность;
- повышенная калорийность.
Но следует отметить, что для производства ферросплавов используют мелкие фракции, размером от 10 до 25 мм. Это не подходит под описание чисто литейного продукта, однако качественное содержимое – да. Поэтому в этой отрасли используют так называемые отходы (побочный продукт).

Схема загрузки кокса и шихты в доменную печь при производстве чугуна

Важная характеристика, влияющая на свойства – пористость

Угольный кокс, как и другие, имеет слабые места трех видов, это следующие:
- трещины;
- пор;
- спекшиеся включения.
Наличие этих дефектов сильно влияет на твердость выходного материала. Производство кокса, технология получения качественного продукта уже могут учитывать некоторые факторы, которые позволяют регулировать получение данных дефектов.

Наличие последних, как и размер пор металлургического кокса сильно влияют на его горючесть, реакционную способность. Это как раз важные характеристики, за которые один вид сырья предпочитают другому (как, например, в случае с производством ферросплавов).

Таблица: Требования к литейному коксу по ГОСТ 3340-88

Норма для марки и класса

При этом наличие самих пор не всегда становится проблемой для фактической твердости материала. Гораздо важнее, как много из отверстий ослаблены трещинами, именно этот дефект считается наиболее опасным для металлургического кокса.

Образование пор, как и твердость материала регламентируют следующим:
- тщательным отбором сырья под производство (фракции, состав, прочее);
- выбором температурного режима;
- длительностью процесса коксования.
Для литейного кокса подбираются параметры, позволяющие получать материал с мельчайшими порами, чем для доменного аналога.

Производство кокса и нефтепродуктов

Эта отрасль промышленности сравнительно недавно стала осваиваться российскими предприятиями. Сырьевая база для не прокаленного или прокаленного нефтяного кокса – это в основном остатки термической переработки основного продукта:
- мазуты;
- смолы и асфальтены (коксообразующие вещества);
- крекинг отходы и нефтяные пеки.
Кокс из нефти отличают по процентной доле содержания серы в общей массе:
- малосернистые;
- сернистые;
- высокосернистые.
Если для первой группы содержание серы не превышает одного процента, то в последней этого элемента может быть более 2.

Так выглядит нефтяной кокс

Кокс металлургический и ГОСТы, которым следует его производство мало, чем отличается для тех классификационных параметров, что должны быть присущи и нефтяному переработанному сырью. Поэтому здесь правомерно говорить о разной зольности, размерности, кажущейся и действительной плотности. Химический состав нефтяного кокса (цена за тонну зависит именно от состава) принципиального не отличается от каменноугольного и в целом металлургического. В него входят такие элементы: углерод в районе 90-95%, сера до 3%, водород не более 1%, соединение азота и кислорода около 1.5%. Остаток занимают металлы.

Отличительной чертой нефтяного кокса можно считать наличие классической маркировки, от которой зависит область применения этих материалов. Названия отличные от предлагаемых расшифровок чаще являются простонародными или используемыми частными лицами (учеными) для описания продукта.

Марка КНПС-КМ применяется для изготовления коррозионноустойчивой аппаратуры, с первоначальным получением конструкционных материалов. Как и марку КНПС-СМ его получают коксованием смолы.

Нефтяной кокс и применение не ограничивается перечисленным. Это прекрасный материал для получения карбидов кремния и кальция, на сегодня высоко востребованные материалы в машиностроении, образующих защитных пленках, строительстве.

А вот производство игольчатого кокса в России пока только получает импульсы к развитию. Так, например, в сентябре 2017 года на Омский завод прибыло оборудование, которое позволит в ближайшие несколько лет начать самостоятельный выпуск именно нефтяного игольчатого кокса. До этого момента предприятие закупало сырьевую базу за рубежом.

Структура игольчатого кокса

Игольчатый кокс востребован в атомной, космической, химической и металлургической промышленностях. Его иногда называют кокс нефтяной электродный, поскольку используют для изготовления соответствующих изделий, обладающих низким электрическим сопротивлением и таким же по значимости, коэффициентом термического расширения.

Нефтяной кокс и цена за тонну на экспорт, вопрос еще обсуждаемый. Так как его производство не имеет таких масштабов, в которых заинтересован даже российский потребитель. А производство игольчатого нефтяного кокса и вовсе только налаживается (это направление отрасли едва ли отпраздновало десятилетие).

История каменного угля насчитывает до 300 миллионов лет. Он образовался из древесных остатков в так называемом каменноугольном периоде истории земли, когда еще миллионы лет оставались до старта первого птеродактиля, когда землю населяли уродливые стегоцефалы, когда росли дремучие леса древовидных папоротников и хвощей, а в заливах теплых морей скапливались сносимые реками остатки растительности и морских водорослей.

Уже много лет ученые спорят о том, что происходило с остатками деревьев и водорослей, покрытых осадочными породами, когда море затапливало районы накопления растительного материала, когда при горообразовании то подымался, то опускался первичный материал, в результате чего изменялись температура и давление. Растительный материал без доступа воздуха обращался в черный блестящий или матовый каменный материал, отличающийся высоким (до 80 – 95%) содержанием углерода.

Коксохимика интересуют только те угли, которые обладают уникальными свойствами – спекаемостью и коксуемостью.

Если дерево, торф, бурый или каменный уголь нагреть без доступа воздуха до температуры 900 – 1000° C , а затем охладить, то при этом выделяются газообразные продукты, смола и останется черно-серый остаток, иногда порошкообразный, иногда мелкозернистый, иногда хрупкий. Если исходный материал раздробить, то получится мелкокусковой продукт, если исходный материал (например, дерево) в кусках, то остаток после нагрева будет кусковым. Но с некоторыми каменными углями при их нагреве без доступа воздуха или, как принято говорить, при сухой перегонке происходят удивительные превращения.

В печь для сухой перегонки засыпают тонкоизмельченный материал – кусочки угля размером меньше трех миллиметров, а получают большие очень прочные куски серебристого цвета хорошо проплавленного материала. Если уголь не проплавился в однородную массу, а как бы слипся друг с другом, то получатся менее прочные куски. Что же происходит с этими углями при сухой перегонке, то есть при нагреве без доступа воздуха?

Попытаемся качественно оценить различия свойств коксующихся углей. Для этого возьмем тонкоизмельченные образцы и поместим одинаковые их количества (обычно один грамм) в фарфоровые тигельки. А потом эти тигельки, накрытые крышками, установим в нагретую до 800 – 850° C печь. Очень скоро из-под крышки начнут выделяться летучие продукты, которые воспламеняются и сгорают. Когда выделение летучих продуктов закончится, тигельки извлечем, охладим и снова взвесим, чтобы определить количество выделенных при нагревании паров и газов.

Существует тесная связь между выходом летучих веществ и внешним видом образующегося кокса. В большинстве случаев, если потеря массы превышает 40%, в тигельке остается неспекшийся, порошкообразный кокс. Если выход летучих веществ составляет больше 35%, но меньше 40 – 42%, то кусочек кокса в тигле, называемый коксовым корольком, – спекшийся, нередко вспученный, рыхлый, не очень прочный. Выход летучих составил 26 – 35%, и остаток оказывается спекшимся, оплавленным, вспученным, умеренно плотным, пористым. Если масса угольного образца уменьшилась на 20 – 25%, то кусочек кокса в тигле получается плотный, сплавленный, прочный. При количестве летучих 17 – 20% королек, спекшийся и умеренно плотный, а угли с выходом летучих менее 15 – 17% очень часто образуют неспекшийся порошкообразный или просто спёкшийся королек. Это уже основа для классификации.

Так, по выходу летучих и виду коксового королька угли называют соответственно длиннопламенными, газовыми, жирными или коксовожирными, коксовыми, отощенными спекающимися и, наконец, тощими. Такие ряды можно построить почти для каждого угольного бассейна. Хороший металлургический кокс можно приготовить из коксовых углей. Из одних же газовых или тощих углей хорошего кокса не получишь. Однако можно получить его из смеси этих углей с коксовыми и жирными.

Что же происходит с углем при нагревании? Как же образуется кокс? Для этого надо, прежде всего представить химическую формулу угля. Уголь – очень сложная система, и написать точную формулу его невозможно. Можно лишь изобразить модель, более или менее отображающую поведение угля при нагревании. Одна из таких моделей представляет уголь как систему, состоящую из блоков, содержащих чередующиеся двойные связи шестичленных углеродных колец (химики их называют ароматическими), соединенных кольцами из звеньев СН2.

Следует отметить, что новейшие исследования заставляют сомневаться в исключительно ароматической основе угольного вещества.

У разных углей разное количество таких шестичленных колец в блоке. Так, у газовых углей в этих блоках по три-четыре кольца, у жирных – по четыре-пять, у тощих – три-девять. При нагревании угля отдельные цепочки разрываются. Вещество распадается на молекулы меньших размеров, которые и образуют жидкоподвижную и газовую фазы тестообразной пластической массы. Аналогия с тестом оказывается довольно полной. Тесто в квашне подымается. Из него выделяются пузырьки углекислого газа, а если сформованное тесто поставить в печь, то из нее Вы вынимаете готовый пирог.

Неустойчивы и обломки угля, образовавшие пластическую массу, они распадаются. Часть угольного вещества обращается в газы и пары, вырывающиеся из вязкой массы, вспучивающие ее. Более массивные блоки колец соединяются друг с другом, образуя твердое неплавкое вещество – полукокс, представляющее собой систему из огромного числа ароматических колец. Полукокс теряет водород, соединенный с атомами углерода на крайних кольцах. Свободные от водорода блоки получают возможность соединяться друг с другом, и при 900 – 1000° C полукокс становится коксом. Будет кокс прочным или рассыплется – зависит от того, какими свойствами, прежде всего вязкостью и термоустойчивостью, будет обладать пластическая масса и как из нее станут выделяться газы.

Газовые угли переходят в пластическое состояние при сравнительно невысоких температурах (350 – 370ºС). Однако их мезофаза быстро разлагается и поэтому большого количества пластического материала не образуется. К тому же при разложении такой мезофазы выделяется очень много газов, которые вспучивают пластический материал и разрывают образующийся полукокс. Поэтому-то из одних газовых углей хороший прочный кокс приготовить не удается.

Правда, может возникнуть вопрос. А зачем нужно коксовать мелкий уголь? Не лучше ли из крупных кусков хорошо спекающегося угля получать крупные куски кокса, но меньших размеров, чем куски угля? Можно! Так и делали когда-то. Но, во-первых, крупных кусков угля размером больше 30 миллиметров, которые могут дать пригодный по размерам кокс, добывают очень мало. Даже когда уголь добывали вручную, откалывая куски угля обушком или кайлом, образовывалось значительное количество (до 20 – 30%) мелочи. Теперь же уголь добывают и транспортируют машинами, и в угле, идущем на коксование, содержится 60 – 70% кусочков меньше трех миллиметров. Поэтому и крупные куски хорошо спекающегося угля уже почти сто лет дробят, чтобы в смеси с мелочью использовать для коксования максимальное количество спекающихся углей.

Однако запасы коксовых и жирных углей сравнительно невелики (15 – 20% от общего количества каменных углей) и добывать такие угли приходится с больших глубин: 700 – 1000 метров. Газовых углей намного больше и залегают они неглубоко. Поэтому их можно добывать открытым способом (в карьере) и стоят они намного дешевле жирных и коксовых.

С первых дней существования большой коксохимии перед учеными встала задача – получать кокс из угольных смесей, содержащих не только жирные и коксовые угли, но также газовые и тощие угли. Советскими учеными была создана наука о составлении угольных смесей – шихт, в которые можно включить много дешевых и доступных углей. И очень большой вклад в развитие этой науки внес член-корреспондент АН СССР Леонид Михайлович Сапожников.

То есть, как из неопределенных индивидуальных, основанных только на личном опыте отдельного специалиста качеств материала угля, извлечь научные основы, заключающиеся в том, чтобы спекающие и коксующие свойства углей были выражены точными цифрами и чтобы угли на основании этих цифр были классифицированы?

Измерить спекающие свойства углей пытались и раньше. В приборе, созданном под руководством члена-корреспондента АН СССР Леонида Михайловича Сапожникова (пластометрическом аппарате) наиболее удачно сочеталось получение одновременной характеристики спекающих, распирающих и усадочных свойств углей.

Всего 100 граммов измельченного угля нужно для испытания. Нагрев ведется с одной стороны, снизу специального стакана, куда засыпается проба. В процессе нагрева пластометрического стакана уголь слоями переходит (или не переходит) в пластическое состояние, образуя слой размягчающегося угля, имеющий довольно четкие границы, которыми являются, с одной стороны, образовавшийся полукокс – твердый, а с другой – граница размягчившегося угля.

Специальной иглой с делениями (пластометром) можно, опуская ее в слой угля, достигнуть верхней границы пластического слоя и, проколов его до полукокса, измерить толщину этого слоя. Периодические измерения на протяжении всего времени испытания позволяют получить весьма надежные средние значения. Одновременно с измерением толщины пластического слоя в миллиметрах (у) измеряется конечная усадка кокса ( x ) и на графике фиксируется вид кривой, которую выписывает рычаг, принимающий на себя давление, развиваемое углем при коксовании. Эта кривая характеризует состояние пластической массы, ее вязкость, газопроницаемость, и она характерна для каждой марки угля.

С помощью пластометриче c кого метода Л.М.Сапожникова, при одновременном учете данных технического анализа углей (выхода летучих веществ и вида тигельного коксового королька) оценивались и в настоящее время оцениваются и классифицируются угли различных бассейнов, месторождений, пластов.

На основании данных пластометрических испытаний (толщины пластического слоя) угли шихтуют, то есть смешивают на заводах в строго определенных пропорциях.

Исследованиями углей, опытными коксованиями установлено, что из смеси газовых, жирных, коксовых и тощих углей можно получить кокс, по прочности удовлетворяющий требованиям доменщиков, если толщина пластического слоя смеси углей – шихты будет 14 – 16 миллиметров.

Вот и подбирают угли разных марок с различным пластическим слоем таким образом и в таком количестве, чтобы общая спекаемость шихты, идущей на коксование, была в этих пределах. Это задача исследователей. А вот подготовить уголь к коксованию да еще 3 – 5 млн. т в год – это задача заводских углеподготовителей.

Наука об угле и, в особенности, тот ее раздел, который помогает определить угли наиболее подходящие к производству высококачественного кокса идет вперед. Информативность пластометрического метода определения спекаемости углей уже недостаточна.

Средняя проба угля измельчается до крупности требуемой для проведения технических анализов и из нее приготовляется аншлиф из пробы пропитанной шеллаком и отшлифованной. На специальной оптической установке определяется в процентах коэффициент отражения света от входящих в поверхность включений витринита, и это дает представление о возрасте угля, его коксующих и спекающих возможностях.

Например, для хороших коксовых и жирных углей такой показатель составляет 1 – 1,26%. Метод гостирован и входит в как классификационный в систему международной классификации углей.

Кокс представляет собой искусственно созданное ценное топливо, которое изготавливают за счет переработки каменного угля. Процесс коксования угля предусматривает целый комплекс различных стадий, к которым относятся: подготовка сырья, непосредственно само коксование, выгрузка и охлаждение кокса, а также переработка летучих веществ. Для коксования отбирают каменный уголь следующих марок: газовые, жирные, отощенно-спекающиеся, коксовые. На этапе подготовки сырья его засыпают в дробильные установки, чтобы измельчить, после чего передают в специальные машины для грохочения. Следующим этапом является калибрование полученного сырья с помощью специальной установки.

После этапа подготовки сырья происходит отбор угольной шихты, которая должна быть максимально однородной. Этот процесс важен, поскольку именно от него будет зависеть качество кокса. После того как шихту хорошо измельчили и смешали, ее направляют в башню, из которой ее дальше подают в коксовые печи. Затем шихту утрамбовывают, а саму печь начинают постепенно нагревать. Время, которое нужно потратить на нагрев печи, зависит от нескольких факторов: ее ширины, влажности сырья и других. В среднем оно колеблется в рамках от 14 до 18 часов.

Следует отметить, что особое значение при этом имеет температура, которая разнится зависимо от стадии коксования. А именно, на этапе сушки температура достигает 100-120 градусов, нагрева — 120-350, размягчения — 350-500, полукокса — 500-600, прокаливания и затвердения сырья — 600-1100. Поскольку в разных слоях шихты, которая находится в печах, одновременно происходят различные процессы, коксование является слоевым, поскольку в одной печи находятся в одно и то же время слои влажного и сухого угля, а также кокса и полукокса. После окончания процесса коксования полученный продукт охлаждают и разделяют его на несколько классов в зависимости от размера кусков.

Металлургическое производство просто немыслимо без использования кокса, который дает энергию для расплавления железосодержащей руды в шахте доменной печи. Однако сам процесс получения кокса достаточно трудоемкий и длительный. Для его создания строятся специальные промышленные агрегаты под названием "коксовые батареи". Об их устройстве, назначении и характерных особенностях и пойдет речь в данной статье.

Определение

Коксовые батареи – целый металлургический комплекс, основным предназначением которого является изготовление в требуемом объеме кокса для его последующей транспортировки в доменные цеха. Данные производственные объекты могут различаться по своим габаритам между собой, но в любом случае их размеры весьма внушительные.

Конструкция

Устройство коксовых батарей следующее. Главными элементами этих печей являются так называемые камеры коксования. Именно в них происходит процесс укладки сырья. Камер коксования в печи насчитывается не один десяток. Также важнейшими элементами батареи можно считать и отопительные промежутки, в которых протекает горение топлива. Ориентировочные линейные размеры камеры коксования таковы:
- Длина – от 12 до 16 метров.
- Высота – 4-5 метров.
- Ширина – 400-450 миллиметров.
В целом же комплекс, благодаря которому коксовые батареи имеют возможность работать беспрерывно на протяжении длительного промежутка времени, включает в себя следующие компоненты:
- Приемный бункер, в который поступает сырой уголь.
- Отделение смешивания и дробления угля.
- Башня распределительная.
- Тележка погрузочная.
- Камера коксования.
- Выталкиватель кокса.
- Вагон тушения.
- Башня тушения.
- Платформа, на которую выгружают остуженный готовый продукт.
Сама же печь для производства кокса в общем виде имеет в своем составе:
- Камеры для загрузки угольной шихты.
- Обогревательный простенок с системой отопительных каналов.
- Систему газораспределения и воздухоподвода.
- Регенератор для подогрева воздуха и вывода отработанных газов.
- Запорную арматуру и механизмы.
Классификация

Коксовые батареи в зависимости от режима эксплуатации бывают периодического и непрерывного действия. Отапливаться эти батареи могут:
- Исключительно доменным газом.
- Только коксовым газом.
- Смесью доменного и коксового газа.
Схема отопления батареи может включать в себя:
- Перекидной канал, благодаря которому газы имеют возможность попадать между простенками.
- Парный канал для рециркуляции.
Отопительный газ для батареи подводится к ней в двух исполнениях:
- Сбоку, когда коксовый газ идет по корнюру (газораспределительному каналу), а воздух и доменный газ – по подовым каналам регенератора.
- Снизу по специальной воздухораспределительной сети.
Несколько слов о регенераторе

Это специальное теплообменное устройство позволяет контактировать теплоносителю с чётко обозначенными поверхностями коксовой печи. Важно заметить, что горячий носитель тепла осуществляет нагрев холодной стены и насадки, а после этого они, в свою очередь, передают тепло уже холодному теплоносителю.

Бывают и другие виды теплообменников, которые называют "рекуператоры". В них холодный и горячий теплоносители проводят обмен энергией между собой через специально возведённую между ними стенку. При этом вначале вниз спускаются потоки горячих газов, а затем происходит срабатывание перекидных клапанов, благодаря чему снизу вверх начинает подниматься уже холодный поток воздуха.

Методы экономии топлива в коксохимическом производстве

Процесс коксования сам по себе является достаточно энергозатратным, что обуславливается потреблением весьма большого количества топлива. Поэтому для уменьшения расхода его потребления применяют следующие методы:
- Используют технологию сухого тушения кокса. Благодаря ей тепловая энергия продукта расходуется на нагрев пара или воды. В частности, с одной тонны готового кокса получается порядка 1 ГДж тепла в виде пара.
- Модернизацию применяемых регенераторов для максимального получения тепла от продуктов сгорания. Так, например, вполне можно увеличить площадь нагрева у насадки.
- Расчет оптимального промежутка времени между переключениями клапанов. Само собой, что чем чаще они переключаются, то в конечном счете это даст возможность снизить объем регенераторов и потери тепла в них. Вместе с тем стоит обязательно отметить, что слишком частое срабатывание клапанов неизбежно приведет к их быстрому выходу из строя и дополнительной нагрузке на все смежные узлы и детали.
- Нагрев шихты и сухое тушение кокса осуществляют одновременно.
Технологический процесс

Производство кокса весьма сложно. Поэтому, чтобы разобраться, как это работает в реальных условиях, стоит узнать технологический цикл как можно подробнее.

Цех по производству кокса всегда начинается с угольной башни. Именно в неё поступает сырье. В нижней части башни имеются специальные затворы. Через них уголь переправляется в приемные бункера углезагрузочной машины. С целью исключения вероятности подвисания угля внутри башни по всей ее высоте подведен сжатый воздух, который подается прерывистыми импульсами и гарантирует обрушивание налипшей на стены башни шихты. Башню непременно следует наполнять не менее чем на две трети ее объема.

Углезагрузочная машина наполняется либо по объему, либо по массе. Процесс ее наполнения контролируется весами. Уголь в печь подаётся сразу же после выдачи готового кокса. При этом подача шихты происходит через верх. В момент загрузки коксовой печи ответственное за это лицо – люковой – включает саму печь в газосборник и активирует инжекцию. Весь процесс загрузки занимает от трех до шести минут.

После этого печь тщательнейшим образом герметизируется, и начинается уже процесс нагрева шихты. Технология производства кокса в коксовых батареях предусматривает следующие температурные процессы:
- При 100-110°С проходит сушка угля.
- В пределах 110°С – 200°С выделяется гигросокпическая и коллоидно-связанная влага, окклюдированные газы.
- При 200°С – 300°С протекает термическая подготовка, которая сопровождается образованием газообразных продуктов термической деструкции и отщеплением термонеустойчивых содержащих кислород групп.
- 300-500°С – диапазон температур, при котором возникает пластическое состояние. Интенсивно выделяется газ и пар, образуется жидкая фаза.
- 550-800°С – коксование среднетемпературное. Синтез интенсифицируется.
- 900-1100°С – коксование высокотемпературное.
Отгрузка кокса из печи

Коксовая батарея, принцип работы которой описывается в данной статье, требует специальной подготовки перед выдачей готовой продукции из нее. Не менее чем за двадцать минут до начала выдачи печь в обязательном порядке отсекают от газосборника и сообщают ее с атмосферой посредством открытия крышки стояка.

После этого выполняется съем дверей печи и выполняется выталкивание кокоса из камеры в тушильный вагон при помощи специальной штанги. При этом если по каким-либо причинам происходит задержка плановой выдачи кокса более чем на десять минут, то двери следует установить обратно на место. Преждевременно открывать крышки стояков категорически запрещается, так как это может вызвать серьезное обрушение футеровки внутри батареи. Кроме того, двери печей должны обязательно быть очищены от графита и смолы до и после процесса выдачи готовой продукции. Тушение кокса в специальном вагоне – обязательная процедура, потому как без этой операции готовый кокс может вновь воспламениться.

Расчет коксовых батарей предусматривает, что печи должны иметь рабочий и ремонтный период. Во время рабочего цикла осуществляется выдача кокса, а во время ремонтного – проводится техническое обслуживание всех агрегатов и оборудования, уборка и прочее.

Сущность

На начальном этапе коксования идет сушка угля, удаляются все адсорбированные газы из него и стартует разложение. В момент перехода угля в пластичное состояние начинается спекание – процесс, который является решающим для всего цикла коксования. На третьем этапе полукокс испытывает прокаливание и упрочнение. Именно вязкая масса нагнетает сопротивление продвижению газов на пути их в газосборник, благодаря чему образуется давление коксования, которое на практике компенсируется усадкой уже сформированного кокса.

Консервация

Читайте также: