Коксование угля

Коксование угля — это технологический процесс термической переработки каменного угля путём нагревания без доступа воздуха (пиролиз) при температуре 900–1100 °C, в результате которого образуются кокс, каменноугольная смола, сырой бензол, коксовый газ и надсмольная вода. Коксование является основным способом получения металлургического кокса, используемого в доменном производстве чугуна.

История

Первые промышленные способы сухой перегонки угля были разработаны в Англии в начале XVIII века для получения кокса, заменившего древесный уголь в металлургии. В 1735 году Абрахам Дерби I (англ. Abraham Darby I) впервые применил кокс в доменной плавке, что позволило значительно увеличить производительность и снизить затраты.

В XIX веке с развитием чёрной металлургии и ростом потребности в коксе технология совершенствовалась. В 1856 году в Германии был построен первый завод по улавливанию побочных продуктов коксования — каменноугольной смолы и аммиака. В России первая коксовая батарея была запущена в 1880 году на Донецком каменноугольном бассейне.

В XX веке коксохимическое производство стало крупной отраслью промышленности, особенно в СССР, где были построены крупнейшие коксохимические заводы (КХЗ) в Магнитогорске, Кемерове, Новокузнецке, Череповце и других городах. В 1970-е годы мировое производство кокса достигло пика — около 400 млн тонн в год, после чего начало снижаться из-за внедрения альтернативных технологий в металлургии.

Сырьё для коксования

Основным сырьём служат каменные угли определённых марок, обладающие способностью к спеканию — то есть к образованию при нагреве пластичной массы, которая затем превращается в прочный кокс. Наиболее пригодны для коксования угли марок:

• К (коксовый) — даёт высококачественный кокс;
• Ж (жирный) — обеспечивает хорошую спекаемость;
• ОС (отощённо-спекающийся) — снижает усадку шихты;
• Г (газовый) — повышает выход летучих веществ.

Для получения кокса требуемого качества угли разных марок смешивают в определённых пропорциях, образуя шихту. В шихту также могут добавлять тощие угли (марки Т, А) для регулирования усадки и прочности кокса.

Технология процесса

Коксование осуществляется в коксовых печах, объединённых в батареи. Каждая печь представляет собой узкую камеру (шириной 0,4–0,5 м, длиной 12–16 м, высотой 4–6 м), выложенную из огнеупорного кирпича. Печи расположены между обогревательными простенками, в которых сжигают коксовый или доменный газ.

Основные стадии

1. Загрузка шихты — измельчённый и усреднённый уголь загружают в камеру через загрузочные люки.
2. Нагрев — камеру нагревают до 1000–1100 °C через стенки. Процесс длится 14–18 часов (в зависимости от ширины камеры и требуемого качества кокса).
3. Пиролиз — при нагреве уголь последовательно проходит стадии:

• сушка (до 200 °C) — удаление влаги;
• полукоксование (200–500 °C) — выделение первичной смолы, газов и образование полукокса;
• коксование (500–1000 °C) — разложение смолы, образование кокса и вторичных газов.

1. Выдача кокса — после завершения процесса кокс выталкивают из камеры с помощью коксовыталкивателя в тушильный вагон.
2. Тушение — раскалённый кокс (1000–1100 °C) охлаждают водой (мокрое тушение) или инертным газом (сухое тушение) до температуры 200–300 °C.
3. Сортировка — охлаждённый кокс дробят и рассеивают на фракции по размеру кусков.

Продукты коксования

Из одной тонны угольной шихты в среднем получают:

Кокс

Кокс — твёрдый пористый продукт серого цвета, содержащий 85–92 % углерода. Основные характеристики:

• Зольность — не более 10–12 % (для доменного кокса);
• Содержание серы — не более 0,6–1,0 %;
• Прочность (показатель M25) — не менее 85–88 %;
• Реакционная способность (CRI) — не более 25–30 %.

Кокс используется не только в доменном производстве, но и в вагранках для плавки чугуна, в производстве ферросплавов, карбида кальция, фосфора, а также как топливо в бытовых и промышленных печах.

Коксовый газ

Коксовый газ — горючий газ с теплотой сгорания 16–18 МДж/м³. Состав: водород (50–60 %), метан (20–30 %), оксид углерода (5–10 %), азот (3–5 %), углекислый газ (1–2 %). После очистки от сероводорода, аммиака и бензольных углеводородов газ используют для обогрева коксовых печей, на металлургических заводах, в химической промышленности.

Каменноугольная смола

Каменноугольная смола — вязкая чёрная жидкость с характерным запахом, содержащая более 300 органических соединений. Основные компоненты: нафталин, фенантрен, антрацен, фенолы, пиридин, хинолин. Из смолы получают:

• Пек — остаток после перегонки смолы, используется для производства электродов, дорожных покрытий, кровельных материалов;
• Креозот — маслянистая фракция, применяемая для пропитки древесины (шпалы, опоры);
• Ароматические углеводороды — сырьё для химической промышленности.

Классификация коксохимических заводов

По типу организации производства коксохимические заводы делятся на:

• Коксовые батареи на металлургических комбинатах — входят в состав полного цикла чёрной металлургии (например, Магнитогорский, Новолипецкий, Череповецкий комбинаты);
• Самостоятельные коксохимические заводы — производят кокс для продажи (например, «Кокс» в Кемерове, «Мечел-Кокс» в Челябинске);
• Коксохимические производства при химических предприятиях — ориентированы на получение химических продуктов (например, заводы по производству электродного пека).

Экологические аспекты

Коксование — экологически опасное производство. В процессе выделяются:

• Твёрдые частицы — угольная и коксовая пыль;
• Газообразные выбросы — оксиды серы, азота, сероводород, аммиак, бенз(а)пирен (канцероген);
• Сточные воды — содержат фенолы, цианиды, тиоцианаты, аммиак.

Для снижения вредного воздействия применяются:

• системы сухого тушения кокса (снижают выбросы пыли и пара);
• очистка коксового газа от сероводорода и аммиака;
• биологическая и физико-химическая очистка сточных вод;
• герметизация загрузочных и разгрузочных устройств.

В России действуют нормативы предельно допустимых выбросов (ПДВ) для коксохимических предприятий, установленные природоохранным законодательством.

Современное состояние и перспективы

Мировое производство кокса в 2020-е годы составляет около 600–650 млн тонн в год. Крупнейшие производители — Китай (более 60 % мирового объёма), Россия, Индия, Япония, Украина. В России в 2023 году произведено около 28 млн тонн кокса.

Основные тенденции:

• Снижение доли кокса в металлургии — из-за внедрения технологии вдувания пылеугольного топлива (ПУТ) в доменные печи, позволяющей заменять до 30–40 % кокса;
• Развитие бездоменной металлургии — прямого восстановления железа (DRI), где кокс не требуется;
• Повышение экологических требований — ужесточение норм выбросов и стимулирование перехода на сухое тушение кокса;
• Утилизация побочных продуктов — расширение ассортимента химических продуктов из смолы и газа.

Несмотря на снижение удельного расхода кокса на тонну чугуна, абсолютное потребление кокса остаётся высоким из-за роста объёмов металлургического производства в развивающихся странах.

Источники

• «Коксохимическое производство» — Большая советская энциклопедия, 3-е издание.
• «Технология коксохимического производства» / под ред. В.И. Степанова. — М.: Металлургия, 1988.
• «Кокс и химия» — научно-технический журнал (издаётся с 1931 года).
• «World Steel in Figures» — World Steel Association, 2023.
• «Коксохимическая промышленность России» — обзор НИИТЭХИМ, 2022.