12.2. Классификация углей

В основе технологической классификации каменных углей лежат такие показатели, как выход летучих компонентов и толщина пластического слоя, образующаяся при нагревании углей (табл. 12.1).

Таблица 12.1

Технологическая классификация углей

Марка угля		Выход летучих, % масс.	Толщина пласти­ческого слоя, мм
Наименование	Обозначение
Длиннопламенный	Д	42	–
Газовый	Г	35	6 – 15
Жирный	Ж	27 – 35	13 – 20
Коксовый	К	18 – 27	14 – 20
Отощенный, спекающийся	ОС	14 – 22	6 – 13
Тощий	Т	17 – 19	–
Антрацит	А	9	–

12.3. Коксование каменных углей

Значительную часть углей подвергают высокотемпературной (пирогене-ти­ческой) химической переработке. Цель такой переработки – производство ценных вторичных продуктов, используемых далее в качестве топлива и про­межуточных продуктов для органического синтеза. По назначению и условиям процессы пирогенетической переработки углей делят на три вида: пиро­лиз, газификация, гидрирование.

Пиролиз или сухая перегонка – это процесс нагрева твердого топлива без доступа воздуха с целью получения газообразных, жидких и твердых продуктов различного назначения. Существует высокотемпературный пиро­лиз (коксование) и низкотемпературный пиролиз (полукоксование).

Полукоксование проводят при 500–580 ^оС с целью получения искус­ственного жидкого и газообразного топлива. Продуктами полукоксования являются сы­рье для оргсинтеза, смола (источник получения моторных топлив), раство­ри­тели, мономеры и полукокс, используемый как местное топливо и добавка в шихту для коксования.

Процессы гидрирования и газификации используются для получения из угля жидких продуктов, применяемых как моторное топливо, и горючих газов.

12.3.1. Коксование каменного угля проводят при температуре 900 – 1200 ^оС с целью получения кокса, горючих газов и сырья для химической промышленности.

Предприятия, на которых осуществляют коксование углей, называют коксохимическими. Существуют отдельные коксохимические заводы с пол­ным циклом коксохимического производства, размещаемые отдельно от ме-таллургических предприятий, и коксохимические цеха в составе металлу­рги­ческих комбинатов.

Структурная схема коксохимического производства представлена на рисунке 12.1.

Каменный уголь марок Г; Ж; К; ОС

Углеподготовка

Угольная шихта

Воздух

Коксование

Тушение

Кокс

Водород ОКГ

ПКГ Кокс на склад

Охлаждение и разделение

Разгонка

Разгонка

СБ КУС

Нейтрализация

Индивидуальные арены Фракции КУС

на переработку

Серная кислота

Сульфат аммония

Рис. 12.1. Структурная схема коксохимического производства

На схеме обозначено: ОКГ – обратный коксовый газ; ПКГ – прямой коксовый газ; КУС – каменноугольная смола; СБ – сырой бензол.

По физико-химической природе коксование – это сложный двухфазный эндотермический процесс, в котором протекают термофизические превраще­ния коксуемого сырья и вторичные реакции с участием органических полу­продуктов первой стадии коксования. Коксование угля ведут в коксовых пе­чах периодического действия, в которых теплота передается к коксуемой уголь­ной шихте через стенку реактора.

Термофизические процессы при коксовании включают:

– теплопередачу от стенки к материалу шихты;

– диффузию продуктов пиролиза (паров воды и летучих веществ) через слой шихты;

– удаление этих продуктов из шихты.

При установившемся режиме коксования уравнение теплопередачи опи­сывается известным уравнением:

Q = K_т ^. F ^. T, (12.1)

где Q – количество теплоты, которое необходимо подвести к системе, кДж;

F – поверхность теплопередачи, м²

K_т – коэффициент теплопередачи, кДж/(м^2.град^.ч);

T = Т_г – Т_ш – градиент температур газов и нагреваемой шихты, обогревающих стенку камеры печи (температуры коксования).

Коэффициент теплопередачи рассчитывают по формуле:

К_т = , (12.2)

где α₁ и α₂ – коэффициенты теплоотдачи от греющих газов к стенке печи и от стенки к шихте соответственно, кДж /(м^2.град^.ч);

δ₁ – толщина стенки, м;

δ₂ – половина толщины слоя загрузки шихты, м;

λ₁ и λ₂ – коэффициенты теплопроводности стенки и шихты соответ­ст­венно, кДж /(м^2.град^.ч).

Химические превращения при коксовании бывают двух типов: первич­ные и вторичные. Первичные реакции протекают в объеме шихты при ее на­греве. К ним относят:

– реакции деструкции сложных молекул;

– реакции фенолизации;

– реакции карбонизации органической массы угля;

– реакции отщепления атомов водорода, гидроксильных, карбоксиль­ных и метоксильных (– ОСН₃) групп.

В процессе первичных превращений из угольной шихты выделяются первичный газ и пары первичной смолы и образуется кокс. К вторичным реакциям относят

– реакции крекинга алканов:

С_nH_{2n +2} C_mH_2m+2 + C_pH_2p; (12.3)

– реакции полимеризации алкенов:

C_nH_2n (– CH₂ –)_n; (12.4)

– реакции дегидрогенизации нафтенов:

С_nН_2n С_nН_2n-6 + 3Н₂; (12.5)

– реакции конденсации ароматических углеводородов, например:

2С₆Н₆ С₁₀Н₈ + С₂Н₄. (12.6)

бензол нафталин

Продуктом вторичных превращений процесса коксования является ком­по­зиция газообразных и парообразных веществ различной природы – пря­мой коксовый газ (ПКГ). Порядок процессов, протекающих в шихте при повышении температуры коксования в печи представлен в таблице 12.2.

Таблица 12.2

Температура	Процессы
До 250 оС	отщепление Н2О, СО2, СО, Н2
300 – 350 оС	начало выделения КУС, выделение пирогенетической воды
350 – 500 оС	пластификация угольной шихты
500 – 550 оС	разложение органической массы угля с выделением первичного газа и паров первичной смолы, спекание твердого остатка с образованием полукокса
550 – 700 оС	разложение полукокса и полное выделение летучих веществ
Свыше 700 оС	упрочение твердой массы и образование кокса

В России наиболее распространены коксовые печи с рециркуляцией про­дуктов горения (ПВР). Их характеристика приведена в таблице 12.3.

Таблица 12.3

Техническая характеристика печей типа ПВР

Объем печи, м3	Размеры печи, м			Масса загрузки, т*	Время кок­сования, ч	Производительность, т/г**	Скорость ко­ксования, мм/ч
	ширина	высота	длина
21,6	0,407	4,3	14,08	23,3	16	729	27,3
32,3	0,410	5,5	16,00	23,5	14	730	–
41,6	0,410	7,0	16,00	30,6	14	1000	32,0

^*влажность шихты не более 0,085 масс. долей; ^**влажность кокса не более 0,06 масс. долей.

Процесс коксования включает несколько стадий.

1. Загрузка шихты.

2. Коксование.

3. Выгрузка кокса. При периоде коксования 13–16 ч и числе печей в коксовой батарее 68–78 шт. выгрузку кокса ведут чеpeз 10–12 мин. Поэ­то­му коксовую батарею можно рассматривать как реактор идеального вытес­не­ния непрерывного действия, хотя каждая печь работает периодически.

4. Тушение кокса. Кокс с температурой 950–1100 ^оС выгружают из печи в коксосушильный вагон. Поэтому для предотвращения горения кокса на воздухе его охлаждают до 100–250 ^оС мокрым или сухим способом. При мок­ром способе раскаленный кокс орошают в тушильной камере водой. При сухом способе охлаждение ведут циркулирующими инертными газами, в качестве которых используют топочные газы (СО₂ + N₂).

5. Сортировка кокса. Кокс после тушения сортируют по классам круп-ности грохочением. Для доменного процесса применяют кокс класса более 40 мм, в цветной металлургии – класса 10–25 мм, для производства карбида кальция – класса 25–40 мм. Коксовая мелочь (менее 10 мм) используется в про­цессе агломерации железных руд.