Коксовая печь

Коксовая печь — это промышленная установка, предназначенная для получения кокса из каменного угля методом пиролиза (нагрева без доступа воздуха). Коксовые печи являются основным технологическим элементом коксохимического производства, входящего в состав металлургических комбинатов. В печи угольная шихта подвергается термическому разложению при температуре 900–1100 °C, в результате чего образуется твёрдый пористый продукт — кокс, а также летучие вещества (коксовый газ, каменноугольная смола, бензол, аммиак и другие), которые улавливаются и перерабатываются в химической части производства.

История

Первые промышленные способы получения кокса были разработаны в XVIII веке в Великобритании, где древесный уголь для доменных печей начали заменять коксом из каменного угля. Первоначально кокс получали в кучах (так называемых «коксовых кострах»), где уголь сжигали с ограниченным доступом воздуха. Этот метод был малоэффективен и сопровождался большими потерями сырья.

В середине XIX века появились первые коксовые печи с рекуперацией тепла. В 1856 году французский инженер Этьенн Кокс (по другим данным, название не связано с фамилией) запатентовал печь, в которой тепло отходящих газов использовалось для подогрева воздуха, подаваемого на горение. В 1860-х годах в Германии и США начали строить батареи из десятков печей, объединённых общими газоходами.

В России первая коксовая печь была построена в 1880-х годах на Донбассе. К началу XX века коксохимическое производство стало неотъемлемой частью чёрной металлургии. В 1930-е годы в СССР были разработаны и внедрены первые печи с рекуперацией и улавливанием химических продуктов, что позволило значительно повысить экономическую эффективность процесса.

В 1950–1960-х годах получили распространение печи с увеличенным объёмом камер (до 30–40 м³) и повышенной производительностью. Современные коксовые печи оснащаются автоматизированными системами управления, механизмами загрузки и выдачи кокса, а также системами очистки выбросов.

Устройство и принцип работы

Конструкция

Коксовая печь представляет собой прямоугольную камеру, выложенную из огнеупорного кирпича (динаса, шамота). Камеры объединяются в батареи, состоящие из 50–80 печей, расположенных в ряд. Между камерами находятся отопительные простенки, в которых сжигается коксовый или доменный газ для нагрева стенок печи.

Основные элементы конструкции:

• Камера коксования — герметичная полость, в которую загружается угольная шихта.
• Отопительные каналы — вертикальные каналы в простенках, по которым движутся горячие продукты сгорания.
• Газосборник — система труб для отвода летучих продуктов пиролиза.
• Загрузочные люки — отверстия в верхней части печи для подачи шихты.
• Выдачные двери — герметичные затворы на торцах камеры, через которые извлекается готовый кокс.

Технологический процесс

Процесс коксования состоит из нескольких стадий:

1. Загрузка шихты. Угольная смесь (шихта) определённого состава (обычно смесь марок углей — коксующихся, газовых, тощих) загружается в камеру через верхние люки. Масса загрузки в современных печах составляет 20–30 тонн.

1. Нагрев и пиролиз. Камера герметизируется, и через стенки от отопительных простенков начинается нагрев. Внутри камеры температура достигает 900–1100 °C. В отсутствие кислорода уголь разлагается: выделяются летучие вещества (водород, метан, оксид углерода, пары смолы), а твёрдый остаток (полукокс) постепенно превращается в кокс.

1. Выдержка. Продолжительность коксования зависит от конструкции печи и состава шихты и составляет 14–20 часов. За это время происходит полное удаление летучих компонентов и формирование пористой структуры кокса.

1. Выдача кокса. После завершения процесса открываются выдачные двери, и с помощью коксовыталкивателя (специальной машины с гидравлическим или механическим приводом) раскалённая масса кокса (температура 900–1000 °C) выталкивается из камеры в тушильный вагон.

1. Тушение. Кокс охлаждается до температуры 200–300 °C одним из способов: мокрое тушение (орошение водой) или сухое тушение (инертным газом, например азотом, с последующей утилизацией тепла). Сухое тушение более экологично и позволяет получать пар для энергетических нужд.

Классификация коксовых печей

Коксовые печи классифицируются по нескольким признакам:

По способу нагрева

• С рекуперацией тепла — отходящие газы используются для подогрева воздуха, подаваемого в отопительные каналы. Наиболее распространённый тип.
• С регенерацией тепла — тепло отходящих газов аккумулируется в насадках (регенераторах) и затем передаётся воздуху или газу. Обеспечивает более высокий КПД.
• Без рекуперации — устаревшие конструкции, где тепло отходящих газов не используется.

По конструкции камер

• Горизонтальные — камера имеет горизонтальное расположение, загрузка и выдача производятся с торцов. Наиболее распространённый тип в современной промышленности.
• Вертикальные — камера расположена вертикально, загрузка сверху, выдача снизу. Используются реже, в основном для специальных видов кокса.

По производительности

• Малой мощности — до 100 тыс. тонн кокса в год.
• Средней мощности — 100–500 тыс. тонн в год.
• Крупнотоннажные — свыше 500 тыс. тонн в год (на современных комбинатах — до 1–2 млн тонн).

Применение и значение

Основная продукция коксовых печей — металлургический кокс, который используется в доменных печах для выплавки чугуна. Кокс выполняет три функции: топливо (источник тепла), восстановитель (восстанавливает железо из руды) и разрыхлитель (обеспечивает газопроницаемость шихты). На производство 1 тонны чугуна требуется около 0,5–0,6 тонны кокса.

Побочные продукты коксования имеют самостоятельную ценность:

• Коксовый газ — используется как топливо на металлургических заводах и для химического синтеза (аммиак, метанол).
• Каменноугольная смола — сырьё для получения фенола, нафталина, антрацена, креозота и других химических веществ.
• Бензол, толуол, ксилол — ароматические углеводороды, применяемые в производстве пластмасс, красителей, взрывчатых веществ.
• Аммиак — используется для получения удобрений.

Коксовые печи также производят кокс для цветной металлургии (например, для выплавки свинца), для электродной промышленности и для бытовых нужд (в виде коксового орешка).

Экологические аспекты

Производство кокса сопряжено с выбросами загрязняющих веществ: пыли, оксидов серы и азота, бенз(а)пирена, сероводорода, аммиака. Основные источники выбросов — загрузка шихты, выдача кокса, тушение (особенно мокрое), а также утечки через неплотности газосборников.

Для снижения вредного воздействия применяются:

• герметизация оборудования и аспирация воздуха;
• сухое тушение кокса (снижает выбросы пыли и сернистых соединений на 80–90%);
• установка фильтров (рукавных, электростатических) и скрубберов;
• дожиг отходящих газов.

В России и других странах действуют нормативы предельно допустимых выбросов для коксохимических предприятий. Современные коксовые печи проектируются с учётом требований наилучших доступных технологий (НДТ).

Интересные факты

• Первая коксовая печь в России была построена в 1888 году на Щербиновском руднике (Донбасс) и имела производительность около 10 тонн кокса в сутки.
• В 2020-х годах в мире ежегодно производится около 600–700 млн тонн металлургического кокса, из которых около 60% — в Китае.
• Сухое тушение кокса позволяет утилизировать до 70% тепла раскалённого кокса, превращая его в пар для выработки электроэнергии.
• В некоторых странах (например, в Японии) разрабатываются технологии «бездымного» коксования, полностью исключающие выбросы в атмосферу.

Источники

• Справочник коксохимика. Том 1. — М.: Металлургия, 1966.
• Технология коксохимического производства / Под ред. В. И. Кравченко. — М.: Металлургия, 1989.
• Коксовые печи: устройство и эксплуатация / А. Г. Дьяков, В. А. Козлов. — М.: Инфра-Инженерия, 2015.
• ГОСТ 2669-82 «Кокс каменноугольный. Технические условия».
• Данные Международного энергетического агентства (IEA) по производству кокса, 2023.