Коксовый газ

Коксовый газ — это горючий газ, образующийся в качестве побочного продукта при сухой перегонке (пиролизе) каменного угля в процессе производства металлургического кокса. Является сложной многокомпонентной смесью, содержащей водород, метан, оксид углерода, углеводороды и другие соединения. Относится к категории вторичных энергетических ресурсов и технологических газов, широко используется в промышленности как топливо и химическое сырьё.

История

Первые промышленные установки для получения кокса и коксового газа появились в середине XIX века в Великобритании и Германии. В 1856 году в Англии был построен первый завод по производству светильного газа из каменного угля, где коксовый газ являлся основным продуктом. С развитием металлургии в конце XIX века коксовый газ стал побочным продуктом коксохимического производства.

В Российской империи первое коксохимическое производство было запущено в 1880-х годах на Донбассе. К началу XX века коксовый газ начал использоваться для отопления коксовых печей и металлургических агрегатов. В советский период (1920–1980-е годы) была создана мощная коксохимическая промышленность, особенно на Урале, в Кузбассе и Донбассе. Коксовый газ стал важным энергоносителем для металлургических комбинатов и химических предприятий.

Состав и свойства

Коксовый газ представляет собой многокомпонентную смесь, состав которой зависит от качества исходного угля, температуры и режима коксования. Типичный состав коксового газа (объёмные доли):

Физические свойства

• Теплота сгорания: 16–19 МДж/м³ (низшая), 17–20 МДж/м³ (высшая).
• Плотность: 0,45–0,55 кг/м³ (легче воздуха).
• Температура воспламенения: 550–650 °C.
• Пределы взрываемости: 4,5–35 % объёмных в смеси с воздухом.
• Токсичность: содержит оксид углерода (угарный газ) — сильный яд; сероводород — токсичен; цианистый водород — высокотоксичен.

Получение

Коксовый газ образуется в коксовых печах при нагреве каменного угля до 900–1100 °C без доступа воздуха (пиролиз). Выход газа составляет 300–350 м³ на тонну загруженного угля (в пересчёте на сухой уголь). Процесс сопровождается выделением летучих веществ, которые отводятся из печи через газосборник.

Сырой коксовый газ содержит механические примеси (угольная пыль, смола) и химические соединения (аммиак, сероводород, цианиды, бензол, нафталин). Перед использованием газ подвергается очистке в несколько стадий:

1. Первичное охлаждение — конденсация водяного пара и части смолы.
2. Электрофильтры — удаление мелкодисперсной смолы и пыли.
3. Сероочистка — удаление сероводорода (до 0,01–0,1 г/м³) методами абсорбции (например, раствором этаноламинов) или окисления (процесс Клауса).
4. Улавливание бензола — экстракция поглотительным маслом (каменноугольное масло) или активированным углём.
5. Улавливание аммиака — промывка водой или серной кислотой (получение сульфата аммония).
6. Улавливание нафталина — промывка маслом или охлаждение.

После очистки получают чистый (обработанный) коксовый газ, который пригоден для использования в качестве топлива или химического сырья.

Применение

Топливо

Коксовый газ является высококалорийным топливом. Основные потребители:

• Металлургические заводы: используется для отопления коксовых печей, нагревательных колодцев, мартеновских печей, доменных воздухонагревателей, прокатных станов.
• Тепловые электростанции: сжигается в котлах для выработки пара и электроэнергии.
• Промышленные котельные: применяется для отопления производственных помещений и технологических нужд.
• Бытовое потребление: в небольших масштабах используется в районах, прилегающих к коксохимическим заводам (например, в городах Донбасса и Кузбасса в XX веке).

Химическое сырьё

Из коксового газа выделяют ценные компоненты:

• Водород — используется в производстве аммиака, метанола, для гидроочистки нефти, в металлургии (восстановление металлов).
• Метан — применяется как топливо и сырьё для синтеза (получение водорода, сажи, ацетилена).
• Этилен и пропилен — сырьё для полимерной промышленности (полиэтилен, полипропилен).
• Бензол — ценный ароматический углеводород, используется в производстве пластмасс, синтетических волокон, каучуков, лекарств.
• Аммиак — сырьё для азотных удобрений (аммиачная селитра, карбамид).
• Сероводород — сырьё для производства серной кислоты и элементарной серы.

Энергетика

Коксовый газ может использоваться для выработки электроэнергии на газотурбинных и газопоршневых установках. В некоторых странах (Китай, Индия, Россия) существуют проекты по комбинированной выработке тепла и электроэнергии (когенерация) на коксохимических заводах.

Экологические аспекты

Коксовый газ является источником загрязнения атмосферы при неконтролируемых выбросах. Основные проблемы:

• Токсичность: оксид углерода, сероводород, цианистый водород, бензол (канцероген) — все эти вещества опасны для здоровья человека.
• Парниковые газы: при сжигании образуется углекислый газ (CO₂).
• Запах: характерный «коксохимический» запах обусловлен примесями сероводорода, аммиака, нафталина.

Современные коксохимические заводы оснащаются системами газоочистки и утилизации выбросов. В России действуют нормативы ПДК (предельно допустимых концентраций) для компонентов коксового газа в атмосферном воздухе и рабочей зоне. Сброс неочищенного газа в атмосферу запрещён.

Экономика

Коксовый газ является ценным побочным продуктом. Его экономическая эффективность зависит от:

• Цены на природный газ: при высокой цене на природный газ коксовый газ становится более конкурентоспособным как топливо.
• Спрос на химические продукты: выделение водорода, бензола, этилена повышает рентабельность коксохимического производства.
• Экологические требования: затраты на очистку газа могут составлять 10–20 % от стоимости кокса.

В России крупнейшими производителями коксового газа являются предприятия ПАО «Северсталь», ПАО «НЛМК», ПАО «ЕВРАЗ», ПАО «ММК». В 2023 году суммарное производство коксового газа в России оценивалось в 15–20 млрд м³ в год.

Безопасность

Коксовый газ относится к категории взрывоопасных и токсичных веществ. При работе с ним соблюдаются следующие меры:

• Контроль концентрации: в помещениях устанавливаются газоанализаторы на CO, H₂S, CH₄.
• Вентиляция: помещения должны быть оборудованы принудительной вентиляцией.
• Средства защиты: персонал использует противогазы (фильтрующие или изолирующие), респираторы, защитные костюмы.
• Предотвращение утечек: газопроводы подвергаются регулярному осмотру и испытаниям.
• Пожарная безопасность: запрещается курение, использование открытого огня, искрообразующих инструментов.

Интересные факты

• Коксовый газ был первым в истории промышленным газом, который использовался для освещения городов (газовые фонари) в XIX веке.
• В первой половине XX века коксовый газ был основным источником водорода для производства аммиака (синтез Габера-Боша).
• Выход коксового газа с одной тонны угля примерно равен объёму природного газа, необходимого для производства 100–150 кВт·ч электроэнергии.
• В Китае коксовый газ активно используется в качестве топлива для автомобилей (газобаллонное оборудование) в регионах с развитой коксохимией.

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2.
• Коксохимическое производство: учебник для вузов / под ред. В. И. Кафтанова. — М.: Металлургия, 1985.
• Технология переработки каменного угля: учебное пособие / А. А. Агафонов, В. М. Семёнов. — М.: Химия, 2001.
• Справочник коксохимика: в 2 т. / под ред. И. М. Глущенко. — М.: Металлургия, 1976.
• Данные Росстата (2023) по производству кокса и коксового газа в Российской Федерации.