Коксующиеся угли

Коксующиеся угли — это разновидность каменных углей, обладающих способностью при нагревании без доступа воздуха (пиролизе) до температуры около 900—1100 °C переходить в пластическое состояние, спекаться и образовывать пористый, прочный кокс. Данное свойство, называемое коксуемостью, является важнейшей технологической характеристикой углей, определяющей их пригодность для использования в металлургии, в первую очередь в доменном производстве чугуна.

Происхождение и геология

Коксующиеся угли, как и все каменные угли, образовались из остатков высших растений в результате длительного процесса углефикации (метаморфизма) под воздействием повышенных температур и давления в недрах Земли. Исходным материалом служили торфяники, накопившиеся в каменноугольном, пермском, юрском и меловом периодах.

Способность к спеканию возникает на определённой стадии метаморфизма, соответствующей маркам углей от длиннопламенных (Д) до тощих (Т), но наиболее ярко выражена у углей марок Г (газовые), Ж (жирные), К (коксовые) и ОС (отощённо-спекающиеся). На стадии антрацита способность к коксованию полностью утрачивается.

В петрографическом отношении коксующиеся угли отличаются определённым содержанием витринита (основного мацерала, отвечающего за спекаемость) и инертинита (менее реакционноспособного компонента). Оптимальное соотношение этих компонентов, а также содержание золы, серы и фосфора критически влияют на качество получаемого кокса.

Характеристики и показатели коксуемости

Основными показателями, определяющими пригодность угля для коксования, являются:

• Выход летучих веществ (Vdaf): Количество газообразных продуктов, выделяющихся при нагреве угля. Для коксующихся углей обычно составляет от 20 до 35 %. Этот показатель коррелирует с маркой угля и влияет на усадку кокса.
• Спекаемость: Способность угля при нагревании переходить в пластическое состояние и связывать инертные частицы. Оценивается по индексу Рога (RI) или пластометрическому показателю (y, мм). Для коксующихся углей индекс Рога обычно превышает 13—15.
• Пластометрические показатели: Определяются в пластометрическом аппарате Сапожникова — толщина пластического слоя (y) и усадка (x). Эти параметры характеризуют вязкость и газопроницаемость пластической массы.
• Зольность (Ad): Массовая доля негорючих минеральных примесей. Высокая зольность (более 10—12 %) ухудшает качество кокса и увеличивает расход флюсов в доменной печи.
• Содержание серы (Sd): Вредная примесь, переходящая в чугун и сталь. Для металлургического кокса содержание серы не должно превышать 1,5—2,0 %.
• Содержание фосфора (Pd): Также вредная примесь, особенно для высококачественных марок стали.
• Влага (Wr): Влияет на тепловой баланс процесса коксования и прочность кокса.

Марки и классификация

В России и странах СНГ принята следующая классификация коксующихся углей по маркам (в порядке возрастания степени метаморфизма):

• Г (Газовые): Высокий выход летучих (более 35 %), хорошая спекаемость, но дают кокс с повышенной реакционной способностью и пониженной прочностью. Используются в шихте для улучшения газопроницаемости.
• ГЖ (Газовые жирные): Промежуточная марка с хорошей спекаемостью и достаточно высоким выходом летучих.
• Ж (Жирные): Отличная спекаемость, высокий выход смолы и газа. Являются одними из лучших компонентов шихты, обеспечивающих прочность кокса.
• К (Коксовые): Оптимальная марка для получения металлургического кокса. Сбалансированный выход летучих (20—25 %) и высокая спекаемость.
• КО (Коксовые отощённые): Более тощие, чем К, с пониженным выходом летучих. Используются для регулирования усадки.
• ОС (Отощённо-спекающиеся): Низкий выход летучих (менее 20 %), слабая спекаемость, но дают кокс высокой плотности и прочности. Добавляются в шихту для повышения механической прочности кокса.
• ТС (Тощие спекающиеся): Редкая марка, сочетающая низкий выход летучих со способностью к спеканию.

На практике коксование ведётся не отдельными марками, а шихтой — смесью углей разных марок, составленной таким образом, чтобы обеспечить оптимальные показатели спекаемости, прочности и выхода кокса. Состав шихты подбирается для каждого конкретного коксохимического предприятия.

Технология коксования

Процесс коксования осуществляется в коксовых печах, объединённых в коксовые батареи. Технология включает следующие стадии:

1. Подготовка угля: Уголь дробят, измельчают до частиц размером менее 3 мм и усредняют. В шихту могут добавляться связующие вещества (например, каменноугольный пек) для улучшения спекаемости.
2. Загрузка печи: Шихту загружают в камеру коксования через загрузочные люки.
3. Нагрев: Камеру нагревают через стенки от соседних камер, в которых уже идёт горение коксового газа. Температура в камере достигает 1000—1100 °C.
4. Пиролиз: При нагреве уголь последовательно проходит стадии: сушка (до 150 °C), размягчение и переход в пластическое состояние (350—500 °C), интенсивное газовыделение и спекание (500—700 °C), упрочнение кокса (700—1100 °C).
5. Выдача кокса: Готовый кокс (коксовый пирог) выталкивают из камеры в тушильный вагон.
6. Тушение: Кокс охлаждают водой (мокрое тушение) или инертным газом (сухое тушение). Сухое тушение позволяет утилизировать тепло и получать пар.
7. Сортировка: Кокс рассеивают на фракции: металлургический (крупнее 25 мм), орешек (10—25 мм), мелочь (менее 10 мм).

Применение

Основным потребителем коксующихся углей является металлургия. Получаемый из них кокс используется:

• В доменном производстве: Кокс выполняет три функции: топлива (для нагрева и плавления шихты), восстановителя (для восстановления железа из оксидов) и разрыхлителя (для обеспечения газопроницаемости столба шихты). Качество кокса напрямую влияет на производительность доменной печи и расход кокса на тонну чугуна.
• В литейном производстве: Для плавки чугуна в вагранках.
• В ферросплавном производстве: Для получения ферросплавов.
• В цветной металлургии: Для плавки руд цветных металлов (например, в производстве никеля, меди).

Побочные продукты коксования (коксовый газ, каменноугольная смола, бензол, аммиак) используются в химической промышленности для синтеза аммиака, удобрений, пластмасс, красителей, лекарств и других продуктов.

Мировые запасы и добыча

Крупнейшими запасами коксующихся углей обладают Россия (Кузнецкий, Печорский, Южно-Якутский бассейны), Китай, Австралия, США, Индия, Канада и Украина (Донецкий бассейн). Добыча ведётся как открытым, так и подземным способом.

Лидером по добыче коксующихся углей является Китай, за ним следуют Австралия, Россия и США. Значительная часть добываемого угля потребляется внутри стран-производителей, однако существует и активная международная торговля. Крупнейшими экспортёрами являются Австралия, Россия, США и Канада. Импортёрами — страны Европейского союза, Япония, Южная Корея, Индия.

Экологические аспекты

Производство кокса и добыча коксующихся углей сопряжены с рядом экологических проблем:

• Выбросы в атмосферу: Коксохимические заводы выделяют коксовый газ, содержащий сероводород, цианистый водород, бензол, фенолы, оксиды азота и серы, а также канцерогенные полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), в том числе бенз(а)пирен.
• Сточные воды: Содержат фенолы, аммиак, цианиды, роданиды, смолы. Требуют сложной многоступенчатой очистки.
• Отходы: Образуются шламы, отходы газоочистки, твёрдые отходы (коксовая мелочь).
• Нарушение земель: Добыча угля (особенно открытым способом) приводит к нарушению почвенного покрова, изменению ландшафта и гидрологического режима.

Современные технологии (сухое тушение кокса, герметизация оборудования, системы газоочистки, замкнутые циклы водоснабжения) позволяют значительно снизить негативное воздействие на окружающую среду. Тем не менее, коксохимическое производство остаётся одним из наиболее экологически опасных.

Будущее коксующихся углей

С развитием технологий прямого восстановления железа (DRI) и водородной металлургии роль коксующихся углей может снизиться. Однако в обозримой перспективе (до 2050 года и далее) доменное производство останется основным способом получения чугуна, и, следовательно, спрос на коксующиеся угли сохранится. Основные тенденции в отрасли:

• Повышение требований к качеству кокса (прочность, низкая зольность, низкое содержание серы).
• Разработка технологий использования в шихте низкокачественных (слабоспекающихся) углей за счёт добавок связующих и модификаторов.
• Совершенствование экологических стандартов и технологий очистки.
• Поиск альтернативных восстановителей (например, водорода) для замены кокса в доменной печи.

Источники

• ГОСТ 25543-2013 «Угли бурые, каменные и антрациты. Классификация по генетическим и технологическим параметрам».
• Справочник коксохимика. Том 1, 2. Под редакцией В.Н. Степанова. — М.: Металлургия, 1991.
• Кокс и химия. Научно-технический журнал.
• World Coal Association. Coal & Steel.
• International Energy Agency (IEA). Coal Market Report.
• Геология угольных месторождений. Под редакцией В.И. Сидорова. — М.: Недра, 1989.