Кокс

Кокс — это твёрдый углеродистый остаток, получаемый путём пиролиза (нагревания без доступа воздуха) различных видов органического сырья, преимущественно каменного угля, а также нефтяных фракций, торфа и древесины. Основными компонентами кокса являются углерод (до 96—98 % в металлургическом коксе) и минеральные примеси (зола). Кокс обладает высокой пористостью, механической прочностью и теплотворной способностью, что делает его незаменимым топливом и восстановителем в металлургических процессах, а также сырьём для химической промышленности.

История

История получения кокса насчитывает несколько столетий. Первые упоминания о коксовании угля относятся к Китаю эпохи династии Хань (II век до н. э.), где кокс использовали для плавки меди. В Европе технология стала известна в XVII веке, когда в Англии начали искать замену древесному углю, запасы которого истощались. В 1709 году английский металлург Абрахам Дерби I впервые успешно применил кокс для выплавки чугуна в доменной печи, что положило начало промышленной революции. В России первое промышленное коксование угля было организовано в 1830-х годах на Урале, а затем и в Донбассе.

В XIX—XX веках технология коксования совершенствовалась: были разработаны коксовые батареи с рекуперацией тепла и химических продуктов, что позволило значительно повысить эффективность процесса и снизить затраты.

Классификация

Кокс классифицируют по исходному сырью и назначению.

По исходному сырью

• Каменноугольный кокс — основной вид, получаемый из коксующихся марок каменного угля. Используется в чёрной металлургии.
• Нефтяной кокс — продукт вторичной переработки нефти (коксование гудрона, крекинг-остатков). Применяется в алюминиевой промышленности, для производства электродов и как топливо.
• Торфяной кокс — получается из торфа, используется как местное топливо и в агрохимии.
• Древесный кокс — продукт сухой перегонки древесины, близок к древесному углю, но с более высоким содержанием углерода.

По назначению

• Металлургический кокс — основной вид, используемый в доменных печах для выплавки чугуна. Делится на классы по крупности кусков (например, кокс класса 40—80 мм, 25—40 мм).
• Литейный кокс — применяется в вагранках для плавки чугуна. Отличается более крупной фракцией и высокой прочностью.
• Кокс для цветной металлургии — используется в производстве алюминия, меди, никеля.
• Кокс для химической промышленности — сырьё для получения карбида кальция, цианамида кальция, сероуглерода и других продуктов.
• Кокс для электротермических процессов — применяется для производства ферросплавов, карбида кремния.
• Топливный кокс — используется как топливо в промышленных печах и бытовых приборах (например, в коксовых печах для отопления).

Производство

Сырьё

Основным сырьём для получения каменноугольного кокса служат коксующиеся угли — марки Ж (жирные), К (коксовые), ОС (отощённо-спекающиеся) и их смеси (шихты). Качество угля определяет выход кокса, его прочность и зольность. Для нефтяного кокса используют тяжёлые остатки перегонки нефти (гудрон, крекинг-остатки).

Технологический процесс

Процесс коксования (пиролиз) протекает в коксовых печах — камерах, выложенных огнеупорным кирпичом, объединённых в коксовые батареи. Основные стадии:

1. Подготовка шихты: уголь измельчают, смешивают, увлажняют до определённой влажности (обычно 8—10 %).
2. Загрузка: шихту загружают в камеру печи через загрузочные люки.
3. Нагрев: камеру нагревают до 900—1100 °C без доступа воздуха. Внутри угля происходят сложные термохимические превращения: выделяются летучие вещества (коксовый газ, смола, бензол, аммиак), а твёрдый остаток — кокс — спекается в монолитную массу.
4. Выдача кокса: после завершения процесса (обычно 14—18 часов) кокс выталкивают из камеры с помощью коксовыталкивателя.
5. Тушение: раскалённый кокс (температура ~1000 °C) охлаждают водой («мокрое» тушение) или инертным газом («сухое» тушение). Сухое тушение позволяет утилизировать тепло и снизить выбросы.
6. Сортировка: кокс дробят и рассеивают на фракции по крупности.

Побочные продукты

При коксовании образуются ценные побочные продукты:

• Коксовый газ — содержит водород, метан, оксид углерода, используется как топливо и химическое сырьё.
• Каменноугольная смола — источник ароматических углеводородов (бензол, толуол, нафталин, фенолы).
• Коксовый бензол — сырьё для производства пластмасс, синтетических волокон.
• Аммиак — используется для получения удобрений.

Свойства и характеристики

Качество кокса оценивается по ряду показателей:

• Зольность — содержание минеральных примесей (обычно 8—12 % для металлургического кокса). Высокая зольность снижает теплотворную способность и увеличивает расход флюсов в доменной печи.
• Содержание серы — нежелательная примесь, ухудшающая качество чугуна и стали. Для доменного кокса допускается не более 1,5 %.
• Выход летучих веществ — показатель степени термической обработки. Для металлургического кокса — менее 1,5 %.
• Механическая прочность — способность выдерживать истирание и дробление при транспортировке и в доменной печи. Определяется в барабанных испытаниях (показатели M25, M10).
• Пористость — влияет на газопроницаемость слоя кокса в печи.
• Реакционная способность (CRI, CSR) — способность кокса реагировать с углекислым газом и водяным паром при высоких температурах. Важна для доменного процесса.

Применение

Основные области применения кокса:

• Чёрная металлургия — около 70—80 % всего производимого кокса используется в доменных печах. Кокс выполняет три функции: топливо (обеспечивает тепло), восстановитель (восстанавливает железо из руды) и разрыхлитель (обеспечивает газопроницаемость столба шихты).
• Цветная металлургия — применяется при выплавке меди, никеля, свинца, цинка, а также в производстве алюминия (в качестве анодной массы).
• Химическая промышленность — используется для получения карбида кальция (из которого затем производят ацетилен), цианамида кальция, сероуглерода.
• Электротермические процессы — производство ферросплавов (ферросилиций, феррохром), карбида кремния, фосфора.
• Топливо — используется в промышленных печах, котельных, а также в быту (кокс для отопления).
• Производство электродов — нефтяной кокс является основным сырьём для изготовления графитированных электродов, используемых в дуговых сталеплавильных печах.

Кокс в России

Россия является одним из крупнейших производителей и потребителей кокса в мире. Основные центры коксохимического производства расположены в Кемеровской области (Кемеровский коксохимический завод, «Кокс» в г. Кемерово), Челябинской области (Челябинский металлургический комбинат), Свердловской области (Нижнетагильский металлургический комбинат), Липецкой области (Новолипецкий металлургический комбинат), а также в Республике Коми (Воркутинский коксохимический завод). Суммарная мощность российских коксохимических предприятий составляет около 30—35 млн тонн кокса в год. Основным потребителем является отечественная чёрная металлургия.

Экологические аспекты

Производство кокса относится к экологически опасным процессам. В атмосферу выбрасываются коксовая пыль, оксиды углерода, серы, азота, а также бенз(а)пирен и другие канцерогенные вещества. Сточные воды содержат фенолы, аммиак, цианиды. Для снижения вредного воздействия применяются системы очистки газов, замкнутые циклы водоснабжения, сухое тушение кокса, а также улавливание и утилизация побочных продуктов. Современные коксохимические заводы оснащаются газоочистным оборудованием, однако проблема остаётся актуальной, особенно на предприятиях старой постройки.

Интересные факты

• Кокс является одним из немногих материалов, способных выдерживать колоссальные нагрузки (до 10—15 МПа) в доменной печи при температурах свыше 1500 °C.
• В первой половине XX века в СССР активно развивалась коксохимическая промышленность, и к 1940 году страна вышла на второе место в мире по производству кокса после США.
• Нефтяной кокс, в отличие от каменноугольного, содержит меньше золы и серы, что делает его более предпочтительным для некоторых электротермических процессов.

Источники

• Справочник коксохимика. Том 1—3. — М.: Металлургия, 1966—1970.
• Технология коксохимического производства / Под ред. В. Е. Привалова. — М.: Интермет Инжиниринг, 2000.
• Кокс // Большая советская энциклопедия. — 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1973.
• Металлургический кокс: производство, свойства, применение / Под ред. А. М. Сыскова. — М.: Металлургия, 1995.
• Отчёт о состоянии коксохимической промышленности России за 2022 год. — М.: Министерство промышленности и торговли РФ, 2023.