Коксование каменных углей

Значительная часть углей подвергают высокотемпературной (пирогене-ти­ческой) химической переработке. Цель такой переработки – производство ценных вторичных продуктов, используемых далее в качестве топлива и про­межуточных продуктов для органического синтеза. По назначению и услови-ям процессы пирогенетической переработки углей делят на три вида: пиро­лиз, газификация, гидрирование.

Пиролиз или сухая перегонка – это процесс нагрева твердого топлива без доступа воздуха с целью получения, газообразных, жидких и твердых продуктов различного назначения. Различают высокотемпературный пиро­лиз (коксование) и низкотемпературный пиролиз (полукоксование).

Полукоксование проводят при 500–580 ^оС с целью получения искус­ственного жидкого и газообразного топлива. Продукты полукоксования: сы­рье для оргсинтеза, смола (источник получения моторных топлив), раство­ри­тели, мономеры и полукокс, используемый как местное топливо и добавка в шихту для коксования.

Процессы гидрирования и газификации имеют цель получить из угля жидких продуктов, используемых как моторное топливо, и горючих газов.

12.3.1. Коксование каменного угля проводят при температуре 900 – 1200 ^оС с целью получения кокса, горючих газов и сырья для химической промышленности.

Предприятия, на которых осуществляют коксование углей, называют коксохимическими. Существуют отдельные коксохимические заводы с пол­ным циклом коксохимического производства, размещаемые отдельно от ме-таллургических предприятий, и коксохимические цеха в составе металлу­рги­ческих комбинатов.

Структурная схема коксохимического производства представлена на рис. 12.1.

Каменный уголь марок Г; Ж; К; ОС

Угольная шихта

Воздух

Коксование

Тушение

Кокс

ВодородОКГ

ПКГ Кокс на склад

Разгонка

Разгонка

СБ КУС

Нейтрализация

Индивидуальные арены Фракции КУС на

переработку

Серная кислота

Сульфат аммония

Рис. 12.1. Структурная схема коксохимического производства

На схеме обозначено: ОКГ – обратный коксовый газ; ПКГ – прямой коксовый газ; КУС – каменноугольная смола; СБ – сырой бензол.

По физико-химической природе коксование – это сложный двухфазный эндотермический процесс, в котором протекают термофизические превраще­ния коксуемого сырья и вторичные реакции с участием органических полу­продуктов первой стадии коксования. Коксование угля ведут в коксовых пе­чах периодического действия, в которых теплота передается к коксуемой уголь­ной шихте через стенку реактора.

Термофизические процессы при коксовании включают:

- теплопередачу от стенки к материалу шихты;

- диффузию продуктов пиролиза (паров воды и летучих веществ) через слой шихты;

- удаление этих продуктов из шихты.

При установившемся режиме коксования уравнение теплопередачи опи­сывается известным уравнением:

Q = K_т ^. F ^. T, (12.1)

где Q – количество теплоты, которое необходимо подвести к системе, кДж;

F – поверхность теплопередачи, м²

K_т – коэффициент теплопередачи, кДж/м^{2 .} град ^. ч;

T = Т_г – Т_ш – градиент температур обогревающих стенку камеры печи газов и нагреваемой шихты (температуры коксования).

Коэффициент теплопередачи рассчитывают по формуле:

К_т = , (12.2)

где α₁ и α₂ – коэффициенты теплоотдачи от греющих газов к стенке печи и от стенки к шихте соответственно, кДж /м^{2 .} град ^. ч;

δ₁ – толщина стенки, м;

δ₂ – половина толщины слоя загрузки шихты, м;

λ₁ и λ₂ – коэффициенты теплопроводности стенки и шихты соответ­ст­венно, кДж /м^{2 .} град ^. ч.

Химические превращения при коксовании бывают двух типов: первич­ные и вторичные. Первичные реакции протекают в объеме шихты при ее на­греве. К ним относят:

- реакции деструкции сложных молекул;

- реакции фенолизации;

- реакции карбонизации органической массы угля;

- реакции отщепления атомов водорода, гидроксильных, карбоксиль­ных и метоксильных (– ОСН₃) групп.

В процессе первичных превращений из угольной шихты выделяются первичный газ и пары первичной смолы, и образуется кокс. К вторичным реакциям относят:

- реакции крекинга алканов:

С_nH_{2n +2} C_mH_2m+2 + C_pH_2p (12.3)

- реакции полимеризации алкенов:

nC_nH_2n (– CH₂ –)_n исправить!!! (12.4)

- реакции дегидрогенизации нафтенов:

С_nН_2n С_nН_2n-6 + 3Н₂ (12.5)

- реакции конденсации ароматических углеводородов, например:

2С₆Н₆ С₁₀Н₈ + С₂Н₄ (12.6)

бензол нафталин

Продуктом вторичных превращений процесса коксования является ком­по­зиция газообразных и парообразных веществ различной природы – пря­мой коксовый газ (ПКГ). Порядок процессов, протекающих в шихте при повышении температуры коксования в печи представлен в табл. 12.2.

Таблица 12.2

Температура	Процессы
До 250 оС	отщепление Н2О, СО2, СО, Н2
300 – 350 оС	начало выделения КУС, выделение пирогенетической воды
350 – 500 оС	пластификация угольной шихты
500 – 550 оС	разложение органической массы угля с выделением первичного газа и паров первичной смолы, спекание твердого остатка с образованием полукокса
550 – 700 оС	разложение полукокса и полное выделение летучих веществ
Свыше 700 оС	упрочение твердой массы и образование кокса

В России наиболее распространены коксовые печи с рециркуляцией про­дуктов горения (ПВР). Их характеристика приведена в таблице 12.3.

Таблица 12.3

Техническая характеристика печей типа ПВР

Объем печи, м3	Размеры печи, м	Масса загрузки, т*	Время кок­сования, ч	Производительность, т/г**	Время ко­ксования, ч
ширина	высота	длина
21,6	0,407	4,3	14,08	23,3			27,3
32,3	0,410	5,5	16,00	23,5			-
41,6	0,410	7,0	16,00	30,6			32,0

^*влажность шихты не более 0,085 масс. долей; ^**влажность кокса не более 0,06 масс. долей

Процесс коксования включает несколько стадий.

1. Загрузка шихты.

2. Коксование.

3. Выгрузка кокса. При периоде коксования 13–16 часов и числе печей в коксовой батарее 68–78 шт., выгрузку кокса ведут чеpeз 10–12 мин. Поэ­то­му коксовую батарею можно рассматривать как реактор идеального вытес­не­ния непрерывного действия, хотя каждая печь работает периодически.

4. Тушение кокса. Кокс выгружают из печи в коксосушильный вагон с температурой 950–1100 ^оС. Поэтому для предотвращения горения кокса на воздухе его охлаждают до 100–250 ^оС мокрым или сухим способом. При мо-к­ром способе раскаленный кокс орошают в тушильной камере водой. При сухом способе охлаждение ведут циркулирующими инертными газами. В качестве инертных газов используют топочные газы (СО₂ + N₂).

5. Сортировка кокса. Кокс после тушения сортируют по классам круп-ности грохочением. Для доменного процесса применяют кокс класса более 40 мм, в цветной металлургии класса 10–25 мм, для производства карбида кальция класса 25–40 мм. Коксовая мелочь (менее 10 мм) используется в про­цессе агломерации железных руд.