Коксующийся уголь

Коксующийся уголь — это разновидность каменного угля, обладающая способностью при нагревании без доступа воздуха (пиролизе) переходить в пластическое состояние, спекаться и образовывать пористый кусковой материал — кокс. Коксующийся уголь является основным сырьём для производства металлургического кокса, используемого в доменных печах при выплавке чугуна и стали.

Характеристики и свойства

Основным свойством, отличающим коксующийся уголь от других марок, является его спекаемость. Это способность угольных частиц при нагреве до 350–500 °C размягчаться, переходить в вязкопластичное состояние и слипаться, образуя монолитную массу. После дальнейшего нагрева до 1000–1100 °C из этой массы удаляются летучие вещества, и образуется твёрдый, пористый кокс.

Ключевые показатели качества коксующегося угля:

Выход летучих веществ (Vdaf) — определяет газовый потенциал и усадку кокса. Обычно составляет от 18% до 37%.
Толщина пластического слоя (y) — основной показатель спекаемости в российской классификации (метод Сапожникова). Измеряется в миллиметрах (мм). Для коксующихся марок обычно составляет 10–30 мм и более.
Содержание серы (Sd) — вредная примесь, переходящая в чугун. Чем ниже, тем лучше. Обычно не превышает 1–2,5%.
Зольность (Ad) — содержание негорючих минеральных примесей. Высокая зольность снижает эффективность доменной плавки. Для коксования предпочтительна зольность менее 10–12%.
Влага (Wr) — содержание воды. Влияет на теплоту сгорания и транспортировку.

Классификация

В России и странах бывшего СССР принята единая классификация углей по ГОСТ 25543-2013, где коксующиеся угли выделены в отдельные технологические марки. Основные марки коксующихся углей:

К (Коксовый) — угли с высокой спекаемостью, дающие кокс наилучшего качества. Используются как основа шихты.
Ж (Жирный) — угли с очень высокой спекаемостью, дают прочный, но более трещиноватый кокс. Используются как связующий компонент.
ОС (Отощённо-спекающийся) — угли с пониженным выходом летучих, дают кокс с высокой механической прочностью, но меньшей реакционной способностью.
КС (Коксовый слабоспекающийся) — угли с умеренной спекаемостью, используются в смесях.
ГЖ (Газовый жирный) — угли с высоким выходом летучих, дают более пористый и реакционноспособный кокс.
ГЖО (Газовый жирный отощённый) — промежуточная марка.

В международной классификации (ASTM, UNECE) коксующиеся угли относятся к битуминозным углям с определёнными показателями отражательной способности витринита (Rr) и индекса свободного вспучивания (FSI).

Технология коксования

Процесс получения кокса из коксующегося угля называется коксованием. Он осуществляется в коксовых батареях, состоящих из узких камер (печей), обогреваемых снаружи.

Этапы процесса:

Подготовка шихты. Различные марки угля (от 2–3 до 10–15) смешиваются в определённой пропорции для получения шихты с заданными свойствами. Шихта измельчается до частиц размером менее 3 мм.
Загрузка. Шихта загружается в коксовую печь через загрузочные люки.
Нагрев. Печь нагревается до 1000–1100 °C через стенки от обогревательных простенков. Процесс длится 14–18 часов.
Пиролиз. Внутри камеры без доступа воздуха происходят химические реакции. Уголь размягчается, спекается, затем выделяются летучие вещества (коксовый газ, смола, бензол, аммиак). Твёрдый остаток — кокс.
Выдача. Готовый кокс (температура около 1000 °C) выталкивается из печи специальным коксовыталкивателем.
Тушение. Раскалённый кокс тушат водой (мокрое тушение) или инертным газом (сухое тушение — более экологичный и экономичный метод).
Сортировка. Кокс рассеивается на фракции: металлургический (крупнее 25 мм), орешек (10–25 мм) и мелочь (менее 10 мм).

Применение

Основное и практически единственное применение коксующегося угля — производство металлургического кокса. Кокс, в свою очередь, используется:

В доменном производстве — как топливо и восстановитель железной руды. На выплавку 1 тонны чугуна требуется 400–600 кг кокса.
В литейном производстве — для плавки металла в вагранках.
В цветной металлургии — для выплавки меди, никеля, свинца.
В химической промышленности — как сырьё для получения карбида кальция, цианамида кальция, фосфора.
Как топливо — в небольших объёмах для бытовых нужд и в промышленных печах.

Побочные продукты коксования (коксовый газ, каменноугольная смола, сырой бензол) являются ценным сырьём для химической промышленности. Из них получают пластмассы, синтетические волокна, удобрения, лекарства, взрывчатые вещества.

Мировые запасы и добыча

Коксующиеся угли составляют лишь 10–15% от общих мировых запасов каменного угля. Крупнейшие запасы сосредоточены в России (Кузнецкий, Печорский, Южно-Якутский бассейны), США (Аппалачский бассейн), Австралии (бассейн Боуэн), Китае (провинции Шаньси, Шэньси), Канаде, Германии, Польше, Украине (Донбасс).

Крупнейшие производители коксующегося угля (по данным на 2020-2023 гг.):

Китай — около 600 млн тонн в год.
Австралия — около 170 млн тонн в год.
Россия — около 100 млн тонн в год.
США — около 50 млн тонн в год.
Канада — около 30 млн тонн в год.

Россия является одним из крупнейших экспортёров коксующегося угля. Основные покупатели — Китай, Индия, страны Юго-Восточной Азии, Турция, страны Европы. Основные российские компании-производители: «Распадская», «СУЭК», «Кузбассразрезуголь», «Мечел», «Норникель».

Экономическое значение

Коксующийся уголь является стратегическим сырьём для металлургической промышленности. От его качества и стабильности поставок напрямую зависит эффективность доменного производства и себестоимость стали. Рынок коксующегося угля характеризуется высокой волатильностью цен, зависящей от спроса в металлургии, логистических ограничений и геополитической ситуации.

Экологические аспекты

Добыча и переработка коксующегося угля связаны со значительным воздействием на окружающую среду:

Добыча: нарушение земель, загрязнение водных объектов, выбросы метана (шахтный газ), пылевое загрязнение.
Коксование: выбросы в атмосферу бенз(а)пирена, фенола, аммиака, сероводорода, оксидов азота, сажи. Характерный запах коксохимического производства ощущается на значительном расстоянии.
Использование: выбросы CO₂, SO₂, NOx при сжигании кокса в доменных печах.

Современные технологии (сухое тушение кокса, герметизация оборудования, очистка коксового газа) позволяют существенно снизить экологическую нагрузку, однако проблема остаётся актуальной.

Интересные факты

Первый патент на коксование угля был получен в Англии в 1620 году.
В России первое промышленное коксование началось в 1880-х годах на Донбассе.
Кокс — один из немногих материалов, который при сгорании в доменной печи не только даёт тепло, но и выполняет химическую функцию восстановления железа из руды.
Качество кокса оценивается по его «горячей прочности» (CSR — Coke Strength after Reaction) и «реакционной способности» (CRI — Coke Reactivity Index). Высокие CSR и низкий CRI — признак качественного кокса.

Источники

ГОСТ 25543-2013 «Угли бурые, каменные и антрациты. Классификация по генетическим и технологическим параметрам».
А.М. Гюльмалиев, А.И. Головин, Т.Г. Гладун. «Теоретические основы химии угля». — М.: Издательство МГУ, 2003.
Ю.А. Золотухин, В.И. Губин. «Коксование углей». — М.: Металлургия, 1984.
Данные Международного энергетического агентства (IEA) по рынку угля (2023).
Статистические обзоры Министерства энергетики РФ и Федеральной таможенной службы РФ.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →