Коксовый пирог

Коксовый пирог — это спекшаяся пористая масса углеродистого остатка, образующаяся в процессе коксования каменноугольной смолы или её тяжёлых фракций. Является промежуточным или побочным продуктом коксохимического производства, который после извлечения из коксовых печей подвергается дальнейшей переработке или используется в качестве топлива.

Образование и состав

Коксовый пирог формируется в коксовых камерах (печах) при нагревании каменноугольной шихты без доступа воздуха до температуры 900–1100 °C. В процессе пиролиза (сухой перегонки) угля выделяются летучие вещества (коксовый газ, смола, бензол, аммиак), а твёрдый остаток — кокс — спекается в монолитную массу, называемую коксовым пирогом.

Состав коксового пирога зависит от исходного сырья и режима коксования. Основные компоненты:

• Углерод (85–95 %) — в виде аморфного углерода и графитоподобных структур.
• Зола (5–15 %) — минеральные примеси, содержащие оксиды кремния, алюминия, железа, кальция.
• Летучие вещества (0,5–2 %) — остаточные углеводороды, водород, азот.
• Влага (0,5–3 %) — гигроскопическая вода, адсорбированная из воздуха.

Пористость коксового пирога составляет 40–60 %, что обусловлено выделением газов при пиролизе. Размер пор варьируется от микроскопических (менее 1 мкм) до макропор (до 10 мм).

Физико-химические свойства

Коксовый пирог характеризуется следующими свойствами:

• Плотность: истинная — 1,8–2,0 г/см³, насыпная — 0,4–0,6 г/см³.
• Теплота сгорания: 28–32 МДж/кг (высшая).
• Электропроводность: полупроводник, удельное сопротивление 0,01–0,1 Ом·м.
• Химическая стойкость: устойчив к действию кислот и щелочей, окисляется при нагреве выше 400 °C.
• Механическая прочность: высокая (прочность на сжатие 10–20 МПа), но хрупок при ударных нагрузках.

Технология извлечения и обработки

После завершения коксования (обычно 14–18 часов) коксовый пирог выталкивается из печи с помощью коксовыталкивателя. Далее он поступает на:

1. Тушение — охлаждение водой или инертным газом (азотом) для предотвращения самовозгорания.
2. Дробление — измельчение до кусков размером 25–100 мм (для металлургического кокса) или 0–10 мм (для коксовой мелочи).
3. Грохочение — разделение на фракции по размеру.
4. Складирование — хранение в бункерах или на открытых площадках.

Применение

Коксовый пирог является основным сырьём для производства металлургического кокса — ключевого компонента доменной плавки чугуна. В зависимости от качества и размера фракций, коксовый пирог используется в различных отраслях:

В металлургии

• Доменный кокс (фракция 25–60 мм) — восстановитель и топливо в доменных печах.
• Литейный кокс (60–100 мм) — для вагранок и плавильных печей.
• Коксовая мелочь (0–10 мм) — агломерация руд, производство ферросплавов.

В химической промышленности

• Электродный кокс — сырьё для производства графитированных электродов (после дополнительной термообработки).
• Сырьё для синтеза — карбида кальция, цианамида кальция, сероуглерода.

В энергетике

• Топливо — для котельных и тепловых электростанций (сжигается в виде пылевидного топлива).
• Газификация — получение генераторного газа (CO + H₂) для химического синтеза.

Прочие применения

• Абсорбенты — для очистки газов и сточных вод.
• Наполнители — в производстве строительных материалов (бетоны, кирпичи).
• Сорбенты — для извлечения благородных металлов из растворов.

Классификация

Коксовые пироги классифицируют по нескольким признакам:

Экологические аспекты

Производство коксового пирога сопряжено с выбросами загрязняющих веществ:

• Коксовый газ — содержит оксиды углерода, серы, азота, бензол, фенолы.
• Пыль — угольная и коксовая пыль (класс опасности 3–4).
• Сточные воды — содержат фенолы, аммиак, цианиды.

Для снижения воздействия применяются:

• Системы аспирации и газоочистки (электрофильтры, скрубберы).
• Утилизация коксового газа (сжигание в котлах-утилизаторах).
• Оборотное водоснабжение и очистка стоков.

В России действуют нормативы ПДВ (предельно допустимых выбросов) для коксохимических предприятий (ГОСТ 17.2.3.02-2014, СанПиН 2.1.3684-21).

История

Первое промышленное получение коксового пирога связано с развитием коксования угля в XVIII веке. В 1735 году в Англии (Абрахам Дерби) начали использовать кокс для выплавки чугуна, что заменило древесный уголь. В России коксохимическое производство появилось в 1830-х годах на Урале (Кушвинский завод). К концу XIX века коксовые печи (системы Коппе, Отто) стали стандартом в металлургии. В XX веке технология совершенствовалась: внедрены непрерывные печи, системы улавливания химических продуктов, автоматизация.

Интересные факты

• Коксовый пирог из одной печи может весить до 20–30 тонн (в зависимости от ёмкости камеры).
• В процессе коксования из 1 тонны угля получается около 0,7–0,8 тонн коксового пирога.
• Коксовая мелочь (фракция <10 мм) часто используется как топливо для цементных печей и котельных.
• В некоторых странах (например, в Китае) коксовый пирог применяют для производства синтетического газа (синтез-газа) методом газификации.

Источники

1. ГОСТ 3340-88 «Кокс каменноугольный. Технические условия».
2. Справочник коксохимика / Под ред. А. С. Станкевича. — М.: Металлургия, 1988.
3. Химическая технология твёрдых горючих ископаемых / Под ред. Г. Н. Макарова. — М.: Химия, 1991.
4. Технология коксования углей / В. И. Суханов, В. А. Филиппов. — М.: Металлургия, 2003.
5. Экологические проблемы коксохимического производства / А. П. Шурыгин, В. И. Кравченко. — Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2010.
6. Большая советская энциклопедия. — 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1969–1978. — Т. 12. — С. 345–346.
7. International Journal of Coal Geology. — 2015. — Vol. 140. — P. 1–15.