Автор: редакционная статья

Категории: коксохимическое производство

Особенности производства кокса

 Кокс – это твердая, пористая спекшаяся масса, оставшаяся после каменного угля, из которого удалили летучие вещества путем прокаливания под воздействием очень больших температур без открытого доступа воздуха.  Изготовленный продукт должен содержать минимум золы, не должен содержать серу и фосфор и обладать хорошими прочностными свойствами и сопротивлением к истиранию.

В качестве шихты для производства кокса годятся несколько разных сортов каменного угля, такие как коксовые, газовые, жирные и тощие. В основе этой шихты – коксующийся уголь, являющийся наиболее дорогим сортом угля. Перед тем, как приступить к коксованию, уголь измельчают и обогащают. Делается это для удаления минеральной породы, чтобы снизить концентрацию золы. После этого шихту увлажняют и отправляют в коксовые печи.

Под воздействием сильного нагревания  с закрытым доступом воздуха мелкие частички угля размягчаются и становятся более пластичными. Твердые зерна этого некоксующегося угля обволакиваются пластической массой. Уголь начинает распадаться на составные части при нагревании свыше 450 градусов Цельсия. Происходит выделение аммиака и других углеводородных и органических соединений. Газообразные вещества, выделяясь, способствуют вспучиванию размягченной массы угля и образования в ней многочисленных пор. По мере прохождения процесса сухой перегонки происходит ещё большее обогащение полученной массы углеродом, она становится менее пластичной, и при достижении 600-650º С  переходит в состоянии полукокса, а при достижении 1000º С получается кокс.

Превращение угля в кокс происходит в камерных печах, которые объединены в коксовые батареи производительностью до 1 млн. т кокса в год. Одна батарея может включать в себя до 80 камер коксования. Для футеровки камер используют специальный огнеупорный кирпич. Объем камеры может составлять до 42 м3, что дает возможность получения на выходе до 20 т кокса за один прием. Камера по форме напоминает спичечную коробку  0,5 м в ширину, 5 м в высоту и 15 м. в длину. В потолке камеры есть люки для загрузки шихты. Также камера спереди и сзади оборудована дверцами, которые открывают с помощью специальных устройств.
Устройство коксовой батареи представлено на рисунках.

Для отопления коксовых печей используется доменный и коксовый газ, который сжигается в простенках между камерами, называемых вертикалями. Выделенное во время сгорания газа тепло передается на кирпичную кладку стен и способствует нагреву угольной массы. Для поддержания процесса коксования температур должна держаться на уровне 1100º С, а в вертикалях  - 1400º С.  Нагрев до необходимой температуры достигается благодаря использованию подогретого генераторами воздуха, которые располагаются под коксовыми печами и представляют собой устройства для аккумулирования тепла отходящих газов.

Продукты, полученные при сжигании газа из вертикала, попадают в камеру регенератора, которая футерирована огнеупорным кирпичом  по подобию пчелиных сот. Раскаленные печные газы проходят через решетчатую насадку регенератора. Эта решетчатая насадка нагревается до нужной высокой температуры, а продукты сгорания охлаждаются. После достижения нужной температуры поступление горячего дыма закрывается и в регенератор поступает холодной воздух.

Проходя через регенератор, воздух подогревается, а огнеупорная кладка, в свою очередь, охлаждается. Дым направляют в другой регенератор. Потом производится замена направлений газовых и воздушных потоков. Этот метод регенерации тепла в целях подогревания воздуха и возвращения назад тепла получил широкое применение в металлургии.

Т.н. “коксовый пирог“ образуется на протяжении 14-16 ч. В течение этого времени угольная масса постепенно проходит все этапы коксования. Процесс направлен от наружных стенок камеры в центр. Первым прогревается и превращается в кокс уголь, находящийся у стенок камеры. Средние слои коксуются намного позднее.  Может пройти 8-9 часов, перед тем как произойдет размягчение и коксование середины угольного слоя.

В связи с тем, что процесс коксования направлен от стенок к центру, то где-то по осевой линии происходит разрыв полученного коксового пирога по смоляной линии – шву. Кроме этой трещины, появившейся после выделения газов, коксовый пирог разделяется рядом горизонтальных трещин. Он отходит от стенок, претерпевая значительную усадку.

Для того, чтобы выгрузить кокс, отключают трубопровод камеры, в который поступают газообразные продукты коксования, а также открывают дверцы с обеих сторон камеры.    Применяется специальная машина, называемая коксовыталкивателем, с помощью которой, как становится понятным из названия, выталкивают коксовый пирог  в вагончик для тушения и сбора кокса. При выдавливании полученная масса ещё больше рассыпается на куски, после чего его везут в башню для тушения, где она охлаждается водой.

Широко применяется способ сухого тушения кокса при помощи азота. Этот способ позволяет увеличить прочность полученного продукта, потому что при его применении пользуются теплотой раскаленного кокса. Нагретые при тушении продукта газы используются для получения газа и электроэнергии.

Также для улучшения производительности коксовых батарей применяют методы брикетирования или трамбования шихты, загруженной в газовую камеру, или осуществляют предварительный подогрев шихты. Её подогревают при помощи горячего азота, который нагревается до 1000-1100º С во время сухого тушения кокса. После прохождения азота через котел-утилизатор, температура азота падает до 400º С  и он поступает в реторты для нагревания угольной шихты.

Кроме горячего, в тушении кокса находит применение и холодной азот. Производят нагрев шихты в реакторах кипящего слоя во взвешенном состоянии. По времени такой нагрев длится около 3-5 минут. Потом шихта, с помощью пневмотранспорта и того же азота попадает в коксовые печи для загрузки. Это дает возможность значительно упростить и облегчить процесс загрузки.

К физико-химическим свойствам полученного продукта относятся:
- Способность к восстановлению оксидов железа путем взаимодействия с СО2  с образованием СО;
- Горючесть (скорость сгорания)
- Воспламенение при температуре 600-700 º С

Физико-механические свойства – механическая прочность, сопротивление истиранию и дроблению. 
На свойства произведенного кокса влияет концентрация золы и серы. Зола уменьшает  прочность кокса и требует добавочного расхода известняка для ошлакования и тепла, необходимого для расплавления шлака.  При повышенном содержании серы требуется большее количество флюса для уменьшения количества серы  в чугуне до нужной, а это может снизить производительность доменной печи. Поэтому следят за тем, чтобы содержание золы в произведенном продукте не превышало 8-12%, а содержание серы – 0.5-2%.

Иногда часть кокса заменяют угольной пылью и выполняют процесс, называемый вдуванием угольной пыли в доменную печь (сокращенно ВУП). При вдувании угольной пыли используются фурменные устройства для подачи дутья.

Преимущества такой замены следующие:
- Цена – угольная пыль стоит в 2-3 раза меньше , в пересчете на единицу тепла;
- Производительность – замена кокса угольной пылью позволяет улучшить производительность доменной печи (эксперименты показали увеличение производительности примерно на 15-16%)
- Экология – уменьшение загрязнения окружающей среды вследствие меньшей потребности использования коксовых батарей.

Кроме кокса, при коксовании получают коксовый газ и ценные химические продукты. 1 тонна сухой угольной шихты дает 750-800 кг кокса, 320 м3  газа, 38 кг каменноугольной смолы, 11 кг бензола. Теплота сгорания коксового газа равна 17 МДж/ м3.  Поскольку кокс – дорогое и дефицитное сырье, для использования более доступных плохо коксующихся углей пытаются заменить обычный продукт формованным, получаемым путем высокотемпературного прессования угольной шихты из некоксующихся углей.       
Что же касается природного газа, являющегося топливом для доменной плавки, то его теплотворная способность равна 38 МДж/ м3.  Метан составляет около 90 % природного газа, остальное – другие, углеводороды. Этот газ не содержит серы и фосфора и успешно используется для интенсификации доменного процесса вместе с газообразным кислородом. Также в доменной плавке кроме природного газа могут использовать каменноугольную пыль, мазут.  

Александр Рыбаков

Источники использованные при написании статьи:

1. Глушенко Н.М. Теоретические основы технологии горючих ископаемых
2. Луазон Р., Фош П.,Буайе А. Кокс