3.1. Склад і класифікація вугілля

В залежності від ступеня розкладання — вуглефікації — копалини вугілля поділяється на:

• буре, наймолодше, із вмістом вуглецю 55—78 %;

• кам'яне, із вмістом вуглецю 92—97 %.

Найцінніше паливо — антрацити, тому що вони характеризуються великою теплотою згоряння. Для хімічної переробки, навпаки, більш цінним є вугілля з меншим ступенем вуглефікації, в якому більш різноманітні і кількісно більші побічні продукти коксування.

Крім вуглецю, до складу вугілля входять водень (1...6 %), кисень (2...20 %), азот (1...2 %) і сірка (0.5...6 %), які зв'язані з ним в різні органічні сполуки та утворюють групу смолистих речовин.

Промислова класифікація вугілля за марками також побудована за принципом їх зростаючої вуглефікації. Марки вугілля великих вугільних басейнів стандартизовані. Наприклад, для кам'яного вугілля Донецького басейну: Д — довгополум'яне, Γ — газове, Ж — жирне, ДО — коксове, ОС — виснажене, що спікається, Т — виснажене. Вміст летких речовин у цьому ряді убуває від 42 % для марки Д до 9...17 % для марки Т, а вуглецю, відповідно, зростає від 76 % до 90...95 %.

Важливою характеристикою вугілля є здатність спікатися, тобто утворювати при нагріванні без доступу повітря досить щільний і міцний брикет — кокс. Добре спікається вугілля марок Ж, К, ОС; вугілля буре, довгополум'яне, виснажене і антрацити не спікаються.

3.2. Технологічні процеси одержання коксу

Коксохімічне виробництво засноване на процесі піролізу, або, як його ще називають, на процесі сухої перегонки вугілля. Піроліз — це нагрівання вугілля без доступу кисню повітря, внаслідок чого вуглець позбавляється органічних речовин, що спочатку утримувались в ньому. Нагрівання проводять, піднімаючи температуру від початкової до 200 °С та поступово до 1000 °С. На кожній зі стадій відбуваються свої специфічні хімічні процеси.

На стадії сушіння при нагріванні вугілля до 200 °С відбувається відділення вологи й адсорбованих газів — оксиду вуглецю II, метану й ін.

При початковому розкладанні (200...350 °С) починається плавлення смолистих речовин і випар вуглеводнів, а також розкладання деяких менш стійких, переважно органічних сполук, що містять кисень.

На стадії пластичного стану (350...500 °С) вугілля розм'якшується. Починається інтенсивний випар вуглеводнів, смол і розпадання вуглеводнів, азотистих і сірчистих сполук.

На стадії утворення напівкоксу (500...600 °С) закінчуються процеси розкладання і випару вуглеводнів і легкоплавких смол, завдяки чому пластична маса твердіє (спікається). Такий спік одержав назву "напівкокс". Кокс утвориться при температурі вище 600 °С, коли починають розпадатись тугоплавкі смоли з виділенням моноциклічних ароматичних вуглеводнів, їхніх похідних і водню. У епіку залишається новоутворений кристалічний вуглець, що зв'язує первинні лусочки вуглецю у вугіллі. Цей процес закінчується при температурі близько 1000 °С.

Товарний металургійний кокс повинен бути досить міцним і одночасно містити пори, золи в ньому повинні бути не більш 7 %, сірки не більш 2 %, а вологи не більш 9 %. Кокс із такими властивостями практично неможливо одержати з вугілля однієї марки. Тому для переробки в кокс складають суміш різних марок вугілля у певних пропорціях. Така суміш, певним чином оброблена, називається шихтою. Технологічний процес коксохімічного виробництва починається з підготовки сировини і готування шихти.

Вугілля різних марок, що надходить на комбінат, розділяється за складом і властивостями на групи, подрібнюється і перемішується в межах кожної групи. Потім після дозування на автоматичних вагах воно збагачується шляхом просіювання, очищення від пилу, флотації й інших методів з метою усунення сторонніх домішок. Далі компоненти шихти піддаються сушінню й остаточному подрібненню на молоткових дробарках до крупності зерен не більш 3 мм. Підготовлена в такий спосіб шихта подається в камери коксової батареї.

Коксова батарея являє собою систему кількох десятків коксових камер, у яких відбувається процес коксування вугільної шихти. Процес коксування починається відразу після подачі завантажувальним вагоном дози шихти в камеру. Завантажувальні люки закриваються, і включаються пристрої, що підігрівають. Відповідно до описаного раніше процесу піролізу, спочатку виділяються вода і тази, потім шихта плавиться й осідає, далі відбувається її спучування за рахунок парів та газів, що виділяються, і потім поступове її тужавіння. На останній стадії при прогріві до 1000 °С починається усадка і розтріскування епіку— утвориться так називаний "коксовий пиріг". Парогазові фракції, що виділилися, по стояках відводять у газозбірник.

Процес коксування в залежності від складу шихти, теплоти згоряння вугілля і розмірів камери триває 14—17 годин, як правило, одночасно у всіх камерах коксової батареї. По закінченню процесу нагріваючі пристрої вимикаються, а до дверей камер послідовно підводять виштовхувач, що вивантажує "коксовий пиріг" у гасильний вагон, що повільно рухається уздовж батареї. Потім виштовхувач навішує двері камер, що звільнилися, у які відразу ж через завантажувальні люки проходить завантаження нової порції шихти, і процес коксування починається знову. Тривалість вивантаження і завантаження камери становить близько 15 хв. Тому для раціонального використання механізмів кількість камер у батареї доводять до 70.

Вивантажений кокс піддається гасінню, тому що при зіткненні з повітрям він загоряється. Гасильний вагон доставляє його у башту, де кокс гаситься водою. Після гасіння кокс висипається з вагона на рампу— похилу бетоновану площадку, де холоне протягом 20 хв. Охолоджений кокс транспортерами подається на сортування — розсів. Вихід коксу становить 17—80 % від маси шихти, а продуктивність однієї коксової батареї— близько 1500 т коксу за добу. Описаний технологічний процес одержання коксу є періодичним, з чим пов'язана недостатня продуктивність, крім того, ще один недолік такого процесу— суворі вимоги до складу шихти по вмісту коксівного вугілля.

Цих недоліків позбавлений технологічний процес одержання коксу безперервним методом. При безперервному коксуванні шихта попередньо підігрівається у вихровій камері або в киплячому шарі до температури 350... 400 °С і витримується 1...2 хв для переводу її в пластичний стан. На формувальній машині із шихти одержують сферичні брикети розміром 60...70 мм, що завантажуються в шахтну піч. Поступово опускаючись, брикети в зоні нагрівання шахтної печі при температурі 1000 °С проходять процес коксування. Паро- і газоподібні продукти коксування відсмоктуються з нижньої частини печі. Кокс, що утворився, опускається на дно печі, безупинно видаляється штовхальником у прийомний бункер, де гаситься водою. Процес безперервного коксування дозволяє збільшувати продуктивність печі за рахунок зменшення тривалості процесу коксування до З годин, одержання коксу заданої крупності і форми. Крім того, до складу шихти можна вводити вугілля недефіцитних марок, у тому числі бурі. Кокс — продукт темно-сірого кольору, пористість його складає 45...55 %, вміст вуглецю доходить до 97...98 %, питоме тепло згоряння — 31,4...35 МДж/кг.

У залежності від призначення кокс поділяється на доменний, ливарний, енергетичний, призначений для одержання феросплавів, карбіду кальцію, електродів, для агломерації залізних руд. Перераховані марки коксу відрізняються розмірами, міцністю, пористістю, а також вмістом сірки і золи. Кокс, не придатний для технологічних цілей за вмістом золи, сірки або за механічною міцністю, використовується як паливо.