Коксування вугілля продукти та їх використання: повний огляд технології та сфер застосування у промисловості

Сутність процесу коксування вугілля

Коксування вугілля являє собою складний термохімічний процес переробки кам’яного вугілля без доступу повітря при температурах від 900 до 1100 градусів Цельсія. Цей процес є основою для отримання металургійного коксу та численних цінних хімічних продуктів. Технологія коксування розвивалася протягом століть і сьогодні залишається критично важливою для металургійної та хімічної промисловості. Під час нагрівання вугілля відбувається його термічна деструкція з виділенням летких речовин та утворенням твердого залишку.

Основні стадії процесу коксування

Технологічний процес коксування включає декілька послідовних етапів, кожен з яких має важливе значення для якості кінцевої продукції. На початкових стадіях відбувається підготовка вугільної шихти з ретельним підбором компонентів різних марок вугілля. Процес коксування в коксових батареях триває від 14 до 18 годин залежно від ширини камери та характеристик вугільної шихти. Температурний режим контролюється з високою точністю для забезпечення оптимальної якості продукції.

Послідовність технологічних операцій:

1. Підготовка вугільної шихти зі змішуванням різних марок вугілля
2. Подрібнення вугілля до фракції 0-3 міліметри
3. Завантаження шихти у коксові камери
4. Нагрівання до температури 900-1100 градусів Цельсія
5. Витримка при заданій температурі протягом коксування
6. Виштовхування готового коксу з камери
7. Гасіння коксу водою або сухим способом
8. Сортування та подальша обробка коксу

Основні продукти коксування вугілля

Коксування вугілля дозволяє отримати широкий спектр цінних продуктів, які знаходять застосування у різних галузях промисловості. Основним продуктом є металургійний кокс, але не менш важливими є хімічні продукти, що утворюються під час процесу. Вихід різних продуктів залежить від складу вугільної шихти та режимів коксування. З однієї тонни сухого вугілля отримують приблизно 700-750 кілограмів коксу та значну кількість побічних продуктів.

Металургійний кокс

Металургійний кокс є головним продуктом коксування та складає близько 75-78 відсотків від маси вихідного вугілля. Цей матеріал характеризується високим вмістом вуглецю, міцністю та пористою структурою. Кокс використовується як паливо та відновник у доменному процесі виплавки чавуну. Якість коксу визначається такими показниками як механічна міцність, реакційна здатність, зольність та вміст сірки.

Вимоги до металургійного коксу:

• Вміст вуглецю не менше 82-86 відсотків
• Механічна міцність М25 не менше 88 відсотків
• Зольність не більше 11-13 відсотків
• Вміст сірки не більше 0,5-1,0 відсотка
• Вміст летких речовин не більше 1,0-1,5 відсотків
• Реакційна здатність в оптимальних межах

Кам’яновугільна смола

Кам’яновугільна смола являє собою в’язку чорну рідину, яка конденсується з коксового газу при його охолодженні. Вихід смоли становить близько 3-4 відсотки від маси сухого вугілля або 30-40 кілограмів на тонну. Смола містить понад 500 різних органічних сполук, багато з яких є цінною сировиною для хімічної промисловості. Переробка смоли дозволяє отримати бензол, толуол, ксилол, нафталін, антрацен та інші ароматичні вуглеводні.

Основні фракції кам’яновугільної смоли:

1. Легкі масла (до 170 градусів) – містять бензол та його гомологи
2. Середні масла (170-230 градусів) – фенольна фракція
3. Важкі масла (230-270 градусів) – нафталінова фракція
4. Антраценові масла (270-360 градусів) – антрацен та карбазол
5. Пек (залишок після відгонки) – використовується у виробництві електродів

Коксовий газ та його складові

Коксовий газ є найважливішим побічним продуктом коксування з виходом близько 300-350 кубічних метрів на тонну вугілля. Цей газ має високу теплоту згоряння від 16 до 18 мегаджоулів на кубічний метр завдяки вмісту водню та метану. Після очищення від домішок коксовий газ використовується як паливо для опалення коксових батарей та інших технологічних потреб. Частина газу може застосовуватися як хімічна сировина для синтезу різних продуктів.

Склад коксового газу

Сульфат амонію та аміачна вода

Аміак виділяється з коксового газу при його охолодженні та промиванні водою з утворенням аміачної води. З аміачної води виробляють сульфат амонію шляхом нейтралізації сірчаною кислотою. Вихід сульфату амонію становить приблизно 8-12 кілограмів на тонну коксованого вугілля. Цей продукт широко використовується у сільському господарстві як азотне добриво з вмістом азоту близько 21 відсотка.

Напрямки використання аміачних продуктів:

• Виробництво азотних добрив для сільського господарства
• Синтез інших азотвмісних хімічних сполук
• Виробництво холодоагентів та технічного аміаку
• Застосування у фармацевтичній промисловості
• Виробництво полімерних матеріалів та пластмас

Бензол та його гомологи

Бензольні вуглеводні вилучаються з коксового газу шляхом промивання маслом або охолодження. Сумарний вихід бензольних вуглеводнів становить близько 10-12 кілограмів на тонну вугілля. До складу бензольної фракції входять бензол, толуол, ксилоли та інші ароматичні вуглеводні. Ці речовини є цінною сировиною для виробництва пластмас, синтетичних волокон, барвників та лікарських препаратів.

Застосування бензольних продуктів

Використання коксу у металургії

Металургійна промисловість споживає близько 90 відсотків усього виробленого коксу для виплавки чавуну у доменних печах. Кокс виконує три основні функції: паливо для створення високих температур, відновник залізної руди та каркас для газопроникності шихти. На виплавку однієї тонни чавуну витрачається від 450 до 550 кілограмів коксу залежно від технології. Якість коксу безпосередньо впливає на продуктивність доменних печей та собівартість чавуну.

Роль коксу у доменному процесі:

1. Створення температури до 2000 градусів у горні печі
2. Відновлення оксидів заліза до металевого заліза
3. Забезпечення пористості стовпа шихти для проходження газів
4. Насичення чавуну вуглецем до необхідної концентрації
5. Підтримання стабільного ходу доменної плавки
6. Видалення шкідливих домішок з металу

Застосування продуктів коксування у хімічній промисловості

Хімічна промисловість використовує широкий асортимент продуктів коксохімічного виробництва як базову сировину. Ароматичні вуглеводні з коксового газу та смоли є основою для синтезу полімерів, пластмас та хімічних волокон. Кам’яновугільний пек застосовується у виробництві графітованих електродів для електрометалургії. Фенольні сполуки зі смоли використовуються для виробництва фенолформальдегідних смол та антисептиків.

Продукти переробки кам’яновугільної смоли

Переробка кам’яновугільної смоли дозволяє отримати понад сто індивідуальних хімічних сполук різного призначення. Нафталін використовується для виробництва фталевого ангідриду та барвників. Антрацен є сировиною для синтезу антрахінону та alizaринових барвників. Карбазол застосовується у виробництві термостійких полімерів та барвників для текстильної промисловості.

Напрямки використання смоляних продуктів:

• Виробництво синтетичних смол та пластмас
• Виробництво барвників для текстильної промисловості
• Фармацевтична промисловість для синтезу ліків
• Виробництво інсектицидів та гербіцидів
• Дорожнє будівництво та бітумні матеріали
• Виробництво вуглецевих матеріалів та електродів
• Антисептики та консерванти для деревини
• Синтез душистих речовин та ароматизаторів

Енергетичне використання коксового газу

Коксовий газ після очищення від домішок є високоякісним паливом з теплотою згоряння близько 17-18 мегаджоулів на кубічний метр. Основна частина газу використовується для опалення коксових батарей та підтримання температурного режиму коксування. Надлишковий газ може застосовуватися на інших виробництвах металургійного комбінату як паливо. Частина водню з коксового газу використовується у процесах гідроочищення та гідрокрекінгу нафтопродуктів.

Варіанти енергетичного використання:

1. Опалення коксових батарей для підтримання температури
2. Паливо для нагрівальних печей прокатного виробництва
3. Генерація електроенергії на теплових електростанціях
4. Опалення доменних повітронагрівачів
5. Паливо для сталеплавильних агрегатів

Екологічні аспекти коксохімічного виробництва

Коксохімічне виробництво супроводжується виділенням значних обсягів забруднюючих речовин в атмосферу та утворенням стічних вод. Сучасні коксові батареї обладнуються системами аспірації та знепилення для зменшення викидів під час завантаження шихти. Коксовий газ проходить багатоступеневу очистку від сірководню, аміаку, синильної кислоти та інших шкідливих домішок. Стічні води коксохімічного виробництва містять феноли, аміак, ціаніди та потребують спеціальної обробки перед скиданням.

Системи очищення на коксохімічних підприємствах

Сучасні коксохімічні заводи впроваджують комплексні системи природоохоронних заходів для мінімізації негативного впливу на довкілля. Газоочисні установки дозволяють вловлювати до 98-99 відсотків пилу та шкідливих газів з викидів. Біологічні очисні споруди забезпечують очищення фенольних стічних вод до нормативних показників. Утилізація відходів коксохімічного виробництва дозволяє отримувати додаткові цінні продукти та зменшувати навантаження на довкілля.

Природоохоронні заходи:

• Аспіраційні системи для вловлювання пилу та газів
• Безводне гасіння коксу для економії води
• Біологічне очищення фенольних стічних вод
• Утилізація сірководню з виробництвом елементарної сірки
• Рекуперація тепла коксового газу та розпеченого коксу
• Використання відходів смолопереробки у дорожньому будівництві

Перспективи розвитку коксохімічної промисловості

Коксохімічна промисловість продовжує розвиватися у напрямку підвищення ефективності використання вугільної сировини та зменшення екологічного навантаження. Впроваджуються технології сухого гасіння коксу з утилізацією теплової енергії для генерації пари та електроенергії. Розробляються методи часткової заміни коксу у доменному процесі пиловугільним паливом та природним газом. Удосконалюються процеси переробки кам’яновугільної смоли для отримання високоцінних хімічних продуктів.