Кокс – твердий матово-чорний, пористий продукт. З 1 т сухої шихти одержують 650-750 кг коксу. Він використовується головним чином у чорній і кольоровій металургії, ливарному виробництві, а також для газифікації, виробництва карбіда кальцію, електродів, як реагент і паливо в ряді галузей хімічної промисловості. Коксу необхідно мати достатню механічну тривкість, тому що він може руйнуватися в металургійних печах під тиском стовпа шихти, що порушує їхню нормальну роботу, знижує продуктивність і т. ін.; його теплотворна спроможність має становити 31,4-33,5 МДж/кг. Кокс одержують на коксохімічних заводах шляхом розкладання коксівного вугілля без доступу повітря. Показниками якості коксу є горючість і реакційна спроможність. Перший характеризує швидкість горіння коксу, другий – швидкість відновлення ним двоокису вуглецю. Обидва ці процеси гетерогенні, швидкість їх визначається не тільки складом коксу, але і його шпаристістю, тому що від неї залежить поверхня контакту взаємодіючих фаз. Якість коксу також характеризується вмістом у ньому сірки, золи, вологи і виходом летючих.
|
|
Сірка, що міститься в коксі, при доменній плавці переходить у чавун, погіршуючи його якість. Допустимий вміст сірки в коксі – 1,2-1,7 %. Зола у коксі – це баласт, і вміст її дорівнює приблизно 17 %. Вихід летючих речовин із коксу складає біля 1,0 %. У коксі припустимо до 5 % вологи, тому що збільшення вологості знижує його теплотворну спроможність.
Коксовий газ утворюється в кількості 310-340м3на 1 т сухого вугілля. Склад і вихід коксового газу визначаються головним чином температурою коксування. З камери, в якій відбувається коксування, виходить так називаний прямий коксовий газ, що містить газоподібні продукти, пари кам’яновугільної смоли, сирого бензолу і води. Після видалення з нього смоли, сирого бензолу, води й аміаку утворюється так називаний зворотний коксовий газ, що використовується як сировина для хімічних синтезів. Крім цього коксовий газ застосовується для обігріву коксових, сталеплавильних та інших печей.
Кам’яновугільна смола – в’язка чорно-бура, із специфічним запахом рідина, що містить біля 300 різноманітних речовин. Найціннішими компонентами смоли є бензол, толуол, ксілоли, фенол, крезоли, нафталін, антрацен, фенантрен, піридин, карбазол, кумарон та ін. Щільність смоли 1,7-1,20 г/см3. Вихід смоли складає від 3 до 4 % від маси сухого вугілля, що коксується. Склад смоли залежить головним чином від температури коксування, а вихід – від температури і природи вихідного вугілля. З підвищенням температури поглиблюється піроліз вуглеводнів, що знижує вихід смоли і збільшує вихід газу. З кам’яновугільної смоли виділяють біля 60 продуктів, використовуваних як сировину для виробництва барвників, фармацевтичних препаратів, інсектофунгіцидів, пластичних мас, хімічних волокон і т. ін.
|
|
Сирий бензол – це суміш, що складається із сірковуглецю, бензолу, толуолу, ксилолів, кумарону й інших речовин. Вихід сирого бензолу складає в середньому 1,1 % від маси вугілля. Вихід залежить від складу і властивостей вихідного вугілля і температурних умов процесу. При розгонці із сирого бензолу одержують індивідуальні ароматні вуглеводні й суміші вуглеводнів, що служать сировиною для хімічної промисловості.
Смола і сирий бензол є головними джерелами одержання ароматних вуглеводнів для хімічної промисловості.
Надсмольна вода являє собою слабкий водяний розчин аміаку й амонійних солей із домішкою фенолу, піридинових основ і деяких інших продуктів. З надсмольної води у процесі її переробки виділяється аміак, що разом з аміаком коксового газу використовується для одержання сульфату амонію і концентрованої аміачної води.
Коксування є одним із найстаріших хімічних виробництв. До середини XIX ст. коксування проводилося для виробництва коксу для металургії. З другої половини XIX ст. після одержання в Росії Н.Н. Зініним аніліну з нітробензолу знадобилися бензол, толуол, феноли, крезоли, нафталін, антрацен й інші продукти, що містяться в кам’яновугільній смолі та сирому бензолі. Кам’яновугільна смола й сирий бензол перетворюються з відходів виробництва на основні і найважливіші продукти. Майже на всіх заводах будуються установки, які вловлюють кам’яновугільну смолу і сирий бензол. Таким чином створюються єдині коксохімічні виробництва.
Сировиною для коксування служить спікливе вугілля, що дає тривкий і пористий металургійний кокс, наприклад, коксівне вугілля марки К. У промисловій практиці звичайно складається суміш-шихта, що складається не тільки з коксівного вугілля, але й з вугілля інших марок. Це дозволяє розширити сировинну базу коксохімічної промисловості, одержати якісний кокс і забезпечити високий вихід смоли, сирого бензолу і коксового газу. У вугіллі, що використовується для коксування, кількість вологи має бути в межах 5...9 %, золи – до 7 %, сірки – до 2 %.
Технологічний процес хімічного виробництва починається з підготовки сировини і готування шихти. Вугілля, що надходить на підприємство, розподіляється за складом і властивостями на групи, дробиться і перемішується, потім проходить стадію збагачення шляхом просівання, знепилення, флотації та інших процесів, здійснюваних для усунення сторонніх домішок.
Далі компоненти шихти піддаються сушінню й остаточному роздрібненню до крупності зерен не більш 3 мм. Підготовлені компоненти шихти подаються в змішувальні машини, а потім у бункери-накопичувачі вугільної вежі.
Готова шихта визначеними дозами висипається в бункери
завантажувального вагона, який доставляє її в камери коксової
батареї (рис. 6.1).
Рис. 6.1.Будова коксової батареї:
1 – коксовиштовхувач; 2 – газозбірник; 3 – стояк; 4 – люк;
5 – завантажувальний вагон; 6 – вежа для гасіння;
7 – герметичні двері; 8 – рампа; 9 – гасильний вагон;
10 – газопровід; 11 – коксова камера; 12 – регенератор;
13 – простінок; 14 – вугільна вежа.
Нагрівання вугілля супроводжується фізичними і хімічними перетвореннями: до 250°С випаровується волога, виділяються окис і двоокис вуглецю; біля 300ºС починається виділення парів смоли й утворення так званої пірогенетичної води; вище 350°С вугілля переходить у пластичний стан; при 500-550°Сспостерігається розкладання пластичної маси з виділенням первинних продуктів (газу і смоли) та її затвердіння з утворенням напівкоксу. Підвищення температури до 700°С призводить до розкладання напівкоксу, виділенню з нього газоподібних продуктів; вище 700°С переважно відбувається зміцнення коксу. Летючі продукти, стикаючись із розпеченим коксом, нагрітими стінками і склепінням камери, в якій відбувається коксування, перетворюються на складну суміш парів (переважно зі з’єднань ароматного ряду) і газів, що містять водень, метан та ін. Велика частина сірки вихідного вугілля і всіх мінеральних речовин залишається в коксі.
|
|
Устрій і робота коксових печей – апаратів непрямого нагрівання, в яких тепло нагрівальних газів до коксівного вугілля передається через стінку. Основним чинником, що визначає протікання процесу коксування, є підвищення температури, що необхідно для нагрівання шихти до температури сухої перегонки і проведення ендотермічних реакцій коксування. Підвищення температури обмежується зниженням виходу смоли і сирого бензолу, зміною складу продуктів коксування, порушенням тривкості вогнетривких матеріалів, використовуваних для кладки печей.
Коксова піч або батарея (рис. 6.1)складається з 61-69 паралельно працюючих камер 11, що являють собою довгі, вузькі канали прямокутного перетину, викладені з вогнетривкої цегли (динасу). Кожна камера вміщує від 15 до 23 т шихти, має передню й задню знімні двері, що у момент завантаження камери щільно закриті, а знімаються при розвантаженні коксу. У склепінні камери є завантажувальні люки 4, що відчиняються при завантаженні вугілля і закриваються на період коксування. Рейковим шляхом, розташованим над коксовими камерами, переміщується завантажувальний вагон 5, який через завантажувальні люки подає шихту в коксові камери. Уздовж одного із боків батареї рейковим шляхам переміщується коксовиштовхувач 1 – машина, що після закінчення процесу коксування розкриває двері камери і виштовхує кокс. З іншого боку рейковим шляхом переміщується гасильний вагон 9, що приймає розпечений кокс, транспортує його під вежу гасіння 6 і потім вивантажує на рампу 8. Нагрівання вугілля в камері відбувається через стінки камери димовими газами, що проходять обігрівальними простінками, розташованими між камерами. Гарячі димові гази утворюються в результаті спалювання доменного, зворотного коксового або рідше генераторного газів. Тепло димових газів, що виходять з обігрівального простінка, використовується в регенераторах 12 для нагрівання повітря і газоподібного палива, що надходять на обігрів коксових печей, у результаті чого збільшується тепловий ККД печі. При роботі коксової камери для забезпечення рівномірності прогріву вугільного завантаження необхідно правильно вибрати габарити камери і рівномірно розподілити нагрівальні гази в обігрівальному простінку. Ширина камери звичайно складає 400-450 мм. Довжина камери обмежується статичною міцністю простінків, утрудненням видалення коксу з камери, складністю розподілу газів в обігрівальному простінку. Довжина камери дорівнює приблизно 14 м. Висота камери визначається в основному умовами рівномірного обігріву її за висотою. З цього погляду задовільні результати утворюються якщо висота камери біля 5,5 м.
|
|
Рівномірний розподіл гріючих газів досягається поділом обігрівальних простінків вертикальними перегородками на ряд каналів, називаних вертикалами. Нагрівальні гази рухаються вертикалами, що віддають тепло стінкам камери й надходять у регенератори. Різниця температури між нагрівальними газами в обігрівальному каналі і вугільній шихті змінюється з часом. Після завантаження камери шихтою значення її велике, у холодну шихту в одиницю часу надходить велика кількість тепла, і вугілля біля стінок камер починае коксуватися. Проте середні прошарки шихти при цьому залишаються холодними.
У міру того, як вугілля прогрівається, різниця температур поступово зменшується, кількість переданого тепла в одиницю часу падає, але усе ж внаслідок безупинного притоку тепла від газів відбувається поступове підвищення температури за перетином камери. Тому створюється наступний стан матеріалів у камері під час коксування (рис.6.2):біля стінок формується прошарок коксу, далі при зниженні температури від стінок до осі камери розташовується прошарок напівкоксу, потім вугілля, яке ще в пластичному стані, і, нарешті, в центрі камери незмінна шихта. Через 12-14 годин температура за перетином вирівнюється, прошарки переміщуються до осі камери і поступово вугільне завантаження прококсовується. Таким чином, після закінчення процесу коксування нагрівальні устрої відключаються, стояки переключаються, до дверей камери підводиться виштовхувач, який вивантажує коксовий “пиріг” у гасильний вагон, що повільно рухається уздовж батареї. Виштовхувач навішує двері звільненої камери і рушає до наступної камери, а завантажувальний вагон відчиняє люки і завантажує нову дозу шихти.
Розвантаження-завантаження камери триває близько 15 хвилин, тому для раціонального використання механізмів кількість камер у батареї доводять до 70.
Вивантажений кокс піддається гасінню, через те, що при зіткненні з повітрям він загоряється.
Гасильний вагон доставляє його у вежу, де кокс після гасіння водою висипається на рампу, остигає протягом 20 хв. Остиглий кокс транспортується на сортування.
|
Вихід коксу становить 70-80% від маси шихти. Продуктивність однієї коксової батареї – біля 1500 т коксу на добу. Залежно від призначення кокс поділяється на доменний, ливарний, енергетичний (призначений для одержання феросплавів, карбіду кальцію, електродів, для агломерації залізних руд).
Вихід продуктів із 1 т шихти, %,