Технология коксования угля: сырье, ключевые процессы и получаемые продукты

Коксование представляет собой сложный процесс высокотемпературной переработки каменного угля, проводимой в строгих условиях без доступа воздуха. Этот технологический процесс является не просто одним из многих в тяжелой промышленности, а настоящим фундаментом для всей черной металлургии, обеспечивая доменные печи ключевым ресурсом — коксом. Исторически его значение трудно переоценить: первая успешная плавка чугуна с использованием каменноугольного кокса, осуществленная в 1735 году, фактически дала старт промышленной революции, навсегда изменив экономический ландшафт мира. Данная работа ставит своей целью последовательно и системно рассмотреть весь производственный цикл: от анализа сырья и его подготовки до детального разбора технологии, характеристики получаемых продуктов и оценки экологических аспектов деятельности коксохимических предприятий.

Каким должен быть уголь, чтобы стать основой для кокса

Далеко не каждый добытый уголь подходит для превращения в качественный металлургический кокс. Основой для производства служит специфическое сырье — коксующиеся угли, обладающие уникальным набором физико-химических свойств. Их пригодность определяется петрографическим составом, то есть микроструктурой, видимой под микроскопом.

В структуре угля выделяют несколько основных компонентов:

• Витрен — наиболее блестящая и однородная часть, играющая ключевую роль в процессе спекания.
• Дюрен — сероватая, матовая масса с различными включениями.
• Фюзен — волокнистая, хрупкая составляющая, напоминающая по своему виду древесный уголь.

Оптимальное соотношение этих компонентов определяет важнейшие технологические свойства угля. Ключевым из них является способность переходить в пластическое состояние при нагреве и последующая спекаемость — способность частиц размягченного угля прочно соединяться друг с другом, образуя твердый и пористый кокс. Кроме того, качественное сырье должно иметь низкое содержание вредных примесей, таких как зола и сера, которые снижают качество конечного продукта. В промышленности для создания оптимальной сырьевой смеси, называемой шихтой, обычно используют угли нескольких марок, например, К (коксовый), Ж (жирный), ОС (отощенно-спекающийся), Г (газовый) и СС (слабоспекающийся).

Как из добытого угля готовят идеальную шихту для коксования

Обладать нужными свойствами — это лишь половина дела. Чтобы гарантировать стабильность процесса и высокое качество конечного продукта, угольное сырье должно пройти серьезную и многоступенчатую подготовку перед попаданием в печь. Качество угольной шихты напрямую определяет характеристики будущего кокса, поэтому этому этапу уделяется первостепенное внимание.

Процесс подготовки включает три ключевые операции:

1. Обогащение. Цель этого этапа — максимально возможное удаление негорючих минеральных примесей. Путем сепарации из угля удаляют частицы породы, что приводит к значительному снижению итоговой зольности и содержания серы. Это критически важно, поскольку данные примеси ухудшают металлургические свойства кокса.
2. Измельчение. Обогащенный уголь подвергается дроблению до определенного гранулометрического состава. Однородность частиц по размеру необходима для обеспечения равномерного и эффективного прогрева всей массы угольной загрузки в печи, что предотвращает образование непропеченных участков и трещин в готовом коксе.
3. Смешивание (шихтовка). Коксохимические заводы практически никогда не используют уголь только одной марки. Путем точного дозирования и смешивания углей разных марок (например, жирных, газовых, коксовых) формируется шихта с заранее заданными и, что самое главное, стабильными технологическими свойствами. Это позволяет нивелировать колебания в качестве исходного сырья и получать кокс с постоянными характеристиками.

Что представляет собой коксовая печь, где происходит превращение угля

Сердцем коксохимического производства является коксовая печь — узкая прямоугольная камера, сложенная из огнеупорного кирпича, где и происходит таинство превращения угольной шихты в кокс. Внутри этой камеры создаются экстремальные условия: температура достигает 950–1100 °C, и при этом полностью отсутствует доступ кислорода, что предотвращает горение угля и запускает процессы его термического разложения.

Отдельные печи не работают в одиночку. Они объединяются в огромные технологические комплексы, называемые коксовыми батареями, которые могут состоять из десятков таких камер, работающих непрерывно. Цикл работы каждой печи строго регламентирован: через загрузочные люки в крыше в нее засыпается угольная шихта, после чего камера герметично закрывается. Процесс коксования длится от 14 до 18 часов. По его завершении специальные механизмы с одной стороны печи выталкивают раскаленный докрасна «коксовый пирог» в тушильный вагон, который немедленно отправляется на охлаждение.

Какие физические и химические метаморфозы претерпевает уголь при нагреве

Внутри раскаленной печи угольная шихта проходит через серию сложных физико-химических превращений, которые можно условно разделить на несколько стадий в зависимости от температуры.

• До 200 °C. На начальном этапе происходит удаление остаточной гигроскопической влаги, а также адсорбированных газов, таких как диоксид углерода и метан, которые были «захвачены» угольными порами.
• 200–350 °C. Это стадия начала термической деструкции. Наименее прочные химические связи в органической массе угля начинают рваться, что приводит к выделению первых порций продуктов разложения: горючих газов, паров воды и каменноугольной смолы.
• 350–500 °C. Ключевой этап процесса. Уголь переходит в пластическое состояние, размягчается и спекается в единую массу. В этот период происходит наиболее активное газовыделение. К концу этого этапа из пластической массы формируется твердая, но еще не окончательная структура — так называемый полукокс.
• Выше 700 °C. Начинаются процессы глубокого разложения. Происходит уплотнение полукокса, сопровождающееся выделением водорода — последнего из основных газообразных продуктов. В результате этих процессов происходит значительная усадка массы, что облегчает последующую выгрузку, и формируется итоговая твердая и прочная структура каменноугольного кокса.

Каменноугольный кокс как главный результат всего производственного цикла

После завершения цикла коксования и охлаждения из печи извлекают основной целевой продукт — каменноугольный кокс. Это твердый, высокопрочный пористый материал характерного серебристо-серого цвета. Его выход составляет 76–78% от массы исходной сухой шихты, а его ценность для металлургии определяется уникальным сочетанием химического состава и физических свойств.

Химически кокс представляет собой практически чистый углерод — его содержание достигает 96–98%. Физически он характеризуется высокой пористостью (49–53%) и плотностью (истинная плотность 1.80–1.95 г/см³). Но главное — его механическая прочность, позволяющая выдерживать огромные нагрузки в доменной печи.

В доменном процессе кокс выполняет триединую роль, являясь незаменимым компонентом:

1. Топливо. Сгорая в потоке горячего дутья, кокс обеспечивает температуру, необходимую для плавки железной руды.
2. Восстановитель. Оксид углерода, образующийся при горении кокса, восстанавливает оксиды железа в руде до металлического железа.
3. Рыхлитель шихты. Куски кокса создают в столбе шихтовых материалов каркас, обеспечивая его газопроницаемость и равномерное движение газов.

Какие еще ценные продукты извлекают из летучих веществ

Однако кокс — это лишь часть того, что получается из угля. До четверти (около 25%) его массы в процессе нагрева превращается в так называемые летучие продукты. Это сложная смесь газов и паров, которая является не отходом производства, а ценнейшим сырьем для химической промышленности. Коксохимию можно по праву назвать одним из первых примеров комплексной и безотходной переработки сырья.

После улавливания и разделения из этой летучей смеси получают несколько ключевых продуктов:

• Коксовый газ. Его доля составляет 14-15% от массы угля. Он содержит горючие компоненты (водород, метан) и после очистки используется как технологическое топливо на самом заводе или для нужд энергетики.
• Каменноугольная смола. Сложная смесь сотен органических соединений, являющаяся отправной точкой для большой химии. Из нее получают бензол, нафталин, антрацен, фенолы и многое другое.
• Сырой бензол. Легкая фракция, улавливаемая из коксового газа, служит источником для получения чистого бензола, толуола и ксилолов.
• Аммиачная вода. Содержащийся в газе аммиак улавливается водой, после чего перерабатывается в сульфат аммония — ценное азотное удобрение.

Как работает система улавливания и переработки химических продуктов

Чтобы превратить горячую, загрязненную смесь летучих веществ в товарные продукты, на коксохимических заводах созданы сложные системы улавливания и переработки. Этот процесс начинается немедленно после выхода прямого коксового газа из печей. Горячий газ, имеющий температуру около 800 °C, последовательно проходит через систему аппаратов, где он охлаждается и очищается.

На первом этапе, при охлаждении газа, из него конденсируется основная масса паров каменноугольной смолы и воды. Далее газ проходит через электрофильтры для окончательного удаления смоляного тумана. Следующий шаг — извлечение аммиака. Газ пропускают через сатураторы, где аммиак реагирует с серной кислотой, образуя кристаллический сульфат аммония. После этого из очищенного от аммиака газа с помощью поглотительных масел извлекают фракцию сырого бензола. Дальнейшая переработка смолы и бензола методами ректификации позволяет выделить из них десятки индивидуальных химических веществ, таких как нафталин, антрацен, фенолы, толуол, пиридиновые основания, которые служат сырьем для производства пластмасс, красителей, лекарств и взрывчатых веществ.

Какую экологическую цену приходится платить за производство кокса

Несмотря на свою технологическую важность, коксохимическое производство является одним из серьезных источников загрязнения окружающей среды. Масштабы производства, высокие температуры и сложный химический состав перерабатываемого сырья создают значительную экологическую нагрузку.

Можно выделить два основных источника вредных выбросов:

1. Непосредственно процесс коксования. Загрузка угольной шихты, выгрузка раскаленного кокса и неизбежные утечки через неплотности в кладке печей приводят к попаданию в атмосферу пыли, сажи и целого ряда летучих органических соединений.
2. Переработка химических продуктов. Цеха улавливания и переработки также вносят свой вклад в загрязнение. В атмосферу могут попадать диоксид серы, сероводород, оксиды углерода, аммиак и фенолы.

Проблема усугубляется тем, что на многих предприятиях до сих пор эксплуатируется физически и морально устаревшее оборудование, не отвечающее современным экологическим стандартам. Тем не менее, пути снижения нагрузки существуют. Они включают в себя модернизацию производственных мощностей, внедрение более совершенных систем очистки газов и повышение общего качества технологической дисциплины.

В заключение стоит отметить, что коксохимическое производство — это сложнейший многостадийный процесс, который нельзя рассматривать в отрыве от смежных отраслей. Мы проследили весь путь: от анализа петрографической структуры угля и его тщательной подготовки, через высокотемпературное превращение в раскаленных печах, до улавливания и фракционирования ценнейших химических продуктов. Становится очевидно, что коксохимия выполняет уникальную роль, являясь ключевым связующим звеном между угольной промышленностью, без которой она немыслима, черной металлургией, которую она питает, и большой химией, для которой она поставляет базовое сырье. Ее развитие и модернизация остаются важнейшей задачей для всей тяжелой промышленности.

Список использованной литературы

1. Сысков К. И., Королёв Ю. Г. Коксохимическое производство. М., “Высшая школа”, 1969.
2. Шубеко П. З., Еник Г. И. Непрерывный процесс коксования. М., “Металлургия”, 1974.
3. Лейбович Р. Е. и др. Технология коксохимических производств. М., “Металлургия”, 1974.
4. Луазон Р., Фош П., Буайе А. Кокс. М., “Металлургия”, 1975.
5. «Переработка твердого топлива. Сборник статей.» Кемерово, 1968.
6. Агроскин А.А. «Химия и технология угля», издание 2-е. М., «Недра», 1969.
7. Вальгис В.К. «Химическая природа каменных углей и процесса коксования их.» научно- химическое техническое издательство, 1928.
8. Агроскин А.А. , Халабузарь Г. «Коксовые печи: конструкции и теплотехника.» Харьков, 1937.
9. Целев Л.М. , Остроухов М.Я. «Процесс горения кокса в доменной печи.» М: Металлургиздат, 1960.
10. Крапчин И.П. «Эффективность использования углей.» М. «Недра», 1976.