4. Коксования каменного угля
Коксование каменного угля - переработка его при 900-1100 °С с целью получения каменноугольного кокса, коксового газа, каменноугольной смолы и др. продуктов. Предварительно обогащенные (отделенные от минеральных примесей), измельченные до зерен размером преим. менее 3 мм и тщательно перемешанные угли (шихту) направляют в башню, из которой с помощью загрузочных вагонов через специальные люки подают в раскаленные коксовые печи - горизонтальные аппараты щелевидного типа (см. рис.). Обогревательные простенки (вертикальные каналы) печей выложены из динасового огнеупорного кирпича. Преимуществ, применение нашли печи с камерами шириной 400-500 мм, высотой 47 м, длиной 12-16м, полезным объемом 20-50 м3. Несколько десятков печей (обычно 60-70) компонуют в единую систему - коксовую батарею, обслуживаемую общим комплектом машин и механизмов (загрузочные и тушильные вагоны, коксовыталкиватель, двересъемная машина и др.).
Кокс каменноугольный применяют для выплавки чугуна (доменный кокс) как высококачественное бездымное топливо, восстановитель железной руды, разрыхлитель шихтовых материалов. Кокс каменноугольный используют также, как ваграночное топливо в литейном производстве (литейный кокс), для бытовых целей (бытовой кокс), в химической и ферросплавной отраслях промышленности (специальные виды кокса). Доменный кокс должен иметь размеры кусков не менее 25—40 мм при ограниченном содержании кусков менее 25 мм (не более 3 %) и более 80 мм. Литейный кокс по размерам кусков крупнее доменного; наиболее пригоден товар, в котором присутствуют куски менее 60—80 мм. Главное отличие литейного кокса от доменного — малое содержание S, которое не должно превышать 1 % (в доменном коксе до 2 %). В промышленности ферросплавов используют мелкий кокс (например, фракцию 10—25 мм), при этом в отличие от доменного и литейного производств предпочитают применять товар с большой реакционной способностью. Требования по прочности к бытовому коксу менее жесткие, чем к доменному и литейному. Во всех производствах лучшее сырье — наиболее прочный малозольный и малосернистый кокс, содержащий небольшое количество мелких фракций. Мировое производство кокса каменноугольного около 400 млн т/год.
Нефтяной кокс (углерод нефтяного происхождения) — твердый остаток вторичной нефтепереработки или нефтепродуктов. Используется для изготовления электродов и коррозионноустойчивой аппаратуры, восстановитель при получении ферросплавов и др.
Коксовая печь: 1 камера; 2 обогревательный простенок; 3 уровень загружаемой шихты; 4 горелки; 5 уровень обогрева.
В зависимости от ширины камеры, влажности шихты и ее насыпной массы, а также температуры в простенках (обычно 1300-1370 °С) нагревание шихты длится 14-18 ч. Для обогрева печей используют доменный, коксовый, генераторный и другие газы или их смеси. Эти теплоносители сгорают в обогревательных простенках, куда наряду с газом подают воздух. Для его подогрева в специальных регенераторах, которые расположены под коксовой батареей и служат как бы ее основанием, используют теплоту продуктов сгорания газа.
Коксование характеризуется разновременностью процессов, происходящих в отдельных слоях (слоевое коксование). Вследствие этого в коксуемом массиве длительно находятся одновременно слои кокса, полукокса, тестообразной пластической массы, сухой и влажный уголь. Кокс формуется в виде монолита (коксового "пирога"), который затем растрескивается на куски разной величины. К концу процесса температуры во всех слоях практически выравниваются.
После завершения коксования дверь камеры открывается с помощью специальных механизмов и раскаленный "пирог" подается коксовыталкивателем в тушильный вагон, перемещающийся по рельсам вдоль коксовой батареи. Кокс тушится в этом вагоне мокрым способом - обильно орошается водой около 2 мин. Охлажденный кокс выгружается равномерным слоем на наклонную коксовую площадку (рампу), на грохотах с квадратными отверстиями разделяется по классам крупности (>40, 40-25, 25-10, <10мм) и направляется потребителям. Все большее распространение получает разработанный в СССР сухой способ тушения. Из форкамеры специальной установки кокс постепенно перемещается в камеру тушения, где с помощью N2 или др. инертных газов охлаждается до 200-220 °С. Газ движется снизу вверх навстречу кускам кокса и, охлаждая его, нагревается до 800-900 °С и направляется в котельную установку, где отдает теплоту для образования водяного пара. Охлажденный газ нагнетателем возвращается на тушение раскаленного кокса.
Летучие продукты коксования в виде парогазовой смеси с температурой 700-750 °С охлаждаются сначала в газосборнике, тонкораспыленной водой до 80 °С, а затем в трубчатых холодильниках до 25-35 °С. Образовавшиеся конденсаты после отделения от коксового газа разделяют отстаиванием и получают орг. и водный слои - соответственно каменноугольную смолу и надсмольную воду. Из 1 т угольной шихты получают 650-750 кг кокса, 340-350 м3 коксового газа, 30-40 кг смолы, 10-12 кг сырого бензола. 2,5-3,4 кг NH3.
Технология коксования предусматривает переработку только определенной группы каменных углей (коксовых, жирных, отощенных, спекающихся), способных при нагревании переходить в пластическое состояние. Поскольку запасы и добыча этих типов углей ограничены, в состав шихты все в больших количествах начинают вводить слабоспекающиеся угли малой (газовые) и высокой степени метаморфизма и даже тощие. При этом чтобы не ухудшить качество (особенно прочность) кокса, технологию слоевого коксование несколько изменяют. В частности, получает распространение метод частичного брикетирования шихты перед коксование Примерно 1/3 кол-ва шихты, состоящей из слабоспекающихся углей, брикетируют со связующим нефтяного или каменноугольного происхождения и добавляют брикеты к остальной массе шихты, направляемой в угольную башню. Эта технология дает возможность снизить содержание в шихте спекающихся углей от 64% и более (требуемый уровень при обычной подготовке) до 50%. В некоторых странах шихту загружают в печи в виде трамбованных прочных угольных блоков плотностью 1,10-1,15 т/м3; трамбование шихты осуществляют с помощью спец. устройства, смонтированного на коксовыталкивателе.
Эффективный метод совершенствования слоевого коксования шихты с большим содержанием слабоспекающихся компонентов заключается в том, что хорошо измельченную шихту сначала нагревают газообразным теплоносителем до 150-250 °С и только после этого загружают в печи. Термическая подготовка шихты позволяет увеличить в ней долю газовых углей до 70-75%, повысить на 30-40% производительность печей (благодаря увеличению разовой загрузки шихты вследствие повышения ее насыпной массы от 0,7 до 0,85 т/м3 и сокращению длительности процесса на 1,5-2,0 ч), увеличить прочность кокса.
Принципиально новая технология непрерывного коксование - метод получения формованного кокса: скоростное нагревание шихты до пластического состояния, формование под небольшим давлением с получением т. наз. формовок и их послед. прокаливание в вертикальных печах. Метод дает возможность использовать слабоспекающиеся угли, получать кокс желаемых размеров и формы, снизить до минимума загрязнение окружающей среды и автоматизировать технологические операции.