Производство кокса технология – технология и особенности :: BusinessMan.ru

технология и особенности :: BusinessMan.ru

Что такое кокс? Это стратегически важный продукт, полученный путем термического бескислородного разложения. Подразделяется он на многие виды. Так, выделяют нефтяной и пековый, торфяной и каменноугольный кокс. Но основным из них является последний вид. Именно каменноугольный кокс выступает базовым компонентом доменного производства.

Важный продукт

Что означает слово «кокс»? Морфология данного понятия говорит нам о том, что это горючий твердый остаток, образующийся при термическом безкислородном нагреве некоторых органических веществ, в числе которых уголь (бурый или каменный), нефть, а также торф. Само слово имеет английские корни. Coke означает не что иное, как продукт, полученный путем термического разложения.

Производство кокса в России является важной составляющей промышленного комплекса. По данным статистики, этот стратегически важный продукт ежегодно выпускается в объеме 27 млн тонн. В таких количествах он жизненно необходим литейному производству и металлургической промышленности. Самый крупный российский производитель кокса — «Северсталь». Эта корпорация владеет собственным производством данного вида топлива и использует его для нужд своих же металлургических заводов. самые большие доменные печи, принадлежащие «Северстали», находятся в Череповце. Они выпускают наиболее высококачественный кокс.

Шихта

Для поддержания горения доменных печей требуется большое количество каменноугольного кокса. Данный продукт представляет собой пористую, но в то же время твердую спекшуюся массу. Она получается в результате удаления летучих веществ из каменного угля.

Кокса химическое производство основано на процессе гидролиза. Помимо этого, возможен и сухой перегон каменного угля. Но в любом случае производство кокса связано с нагреванием исходного продукта без малейшего доступа воздуха. Целью гидролиза является отделение углерода от всех остальных веществ, входящих в состав угля. Что представляет собой сырье для производства кокса? Это каменный уголь различных сортов, в том числе жирный и коксовый, газовый и тощий. Называют такое сырье шихтой. Основу данного продукта составляет самый дорогой сорт – коксующийся уголь. На металлургические заводы России шихту доставляют из месторождений Кузбасса, а также Печоры. Богатыми залежами коксующихся углей может гордиться и Якутия. Здесь их добывают на территории Нерюнгри, до которой специально была проведена ветка железной дороги.

В связи со своими масштабами производство кокса требует большого количества сырья. Его доставляют к производственным цехам в насыпных вагонах. Здесь шихту перегружают в огромные башни, в которых специальные механизмы, будто насосы, закачивают поступивший уголь в коксовые колонки. Зимой шихта поступает, как правило, в замерзшем состоянии. И поэтому перед выгрузкой ее отогревают прямо в вагонах, загоняя их в специальные огромные ангары.

Подготовка шихты

Непосредственно само производство кокса начинается с сортировки шихты. Весь уголь, пришедший на завод, разделяется по своему свойству и составу на нужные группы. После этого шихта дробится и перемешивается. Далее следует ее дозировка. Она производится на автоматических весах. После такой подготовки шихта обогащается с использованием обеспыливания, грохочения, мытья, флотации и прочих способов. Все это позволяет устранить из сырья посторонние примеси. После шихта подлежит сушке и поступает на заключительный этап дробления, в результате которого получаются зерна, радиус которых не превышает 3 мм.

Подготовленное таким образом сырье готово для того, чтобы начать производство доменного кокса. Оно перегружается в смесительные агрегаты, а затем поступает в бункеры накопителя, находящиеся в угольной башне.

Коксовые батареи

Готовое сырье, которое необходимо для того, чтобы осуществить производство кокса, высыпается из угольной шахты в бункер загрузочного вагона. После этого оно доставляется в коксовые батареи. Это система, состоящая из нескольких камер, в которых и происходит процесс производства конечного продукта.

Коксовая камера представляет собой сооружение, стены которого выложены огнеупорным кирпичом. Его длина – 13-15 м, ширина – 0,4-0,5 м, высота – 5-5,5 м. Подобные габариты камеры позволяют осуществить процесс производства кокса достаточно быстрыми темпами.

В сводах подобных камер имеется по три-четыре люка с плотно закрывающимися крышками. Они предназначены для загрузки сырья. В торцевых стенах камер также имеются герметичные металлические двери. В процессе того, как образуется кокс, производство требует отвода появляющихся при этом газообразных продуктов. Это также предусмотрено в конструкции камер. В своей верхней части они имеют специальные стояки, по которым летучие вещества попадают в газосборник.

В то время, когда осуществляется производство кокса, технология процесса требует значительного обогрева камер. Для этого между ними конструируют специальные простенки. Они представляют собой целую систему отопительных каналов, по которым перемещаются горячие газы. В результате происходит обогрев стенок камер. В нижней части сооружений для производства кокса размещены регенераторы. Они необходимы для подогрева камер газами, подаваемыми через газопроводы, а также теми, которые отходят из воздуха.

Прогрев шихты

Над коксовыми камерами располагается рельсовый путь. По нему перемещается загрузочный вагон. С него шихта через люки попадает в камеру. Это происходит благодаря расположенным на вагоне специальным механизмам, которые могут откручивать, а затем и закрывать герметичные крышки.

По рельсовому пути, расположенному вдоль одной из сторон камеры, передвигается специальная коксовыталкивательная машина. Именно она подходит к боковым дверям и вскрывает их. Далее это устройство выталкивает полученный кокс. С другой стороны к камере подходит тушильный вагон. Он принимает раскаленный продукт и транспортирует его в зону, находящуюся под башней для тушения, выгружая затем на рампу.

Образование конечного продукта

Все производства металлургического кокса строго соблюдают технологические процессы, которые требуют не допустить попадания воздуха в камеру. Как это происходит? Процесс получения кокса начинается сразу после того как загрузочный вагон поставляет отмеренную дозу шихты в камеру. При этом происходит закрытие ее люков и включение подогревающих устройств.

Что происходит на начальном этапе, когда осуществляется производство кокса? Технология процесса на первой своей стадии предусматривает выделение из готового сырья газов и воды. После этого происходит плавление и оседание шихты. Дальнейшее повышение температуры приводит к вспучиванию данного промежуточного продукта. Это происходит в связи с дальнейшим выделением газов и паров. Далее шихта постепенно отвердевает. Что представляет собой последняя стадия процесса, в результате которой получается кокс? Производство этого продукта осуществляется при растрескивании и усадке спека. В итоге происходит образование так называемого коксового пирога. Все фракции, имеющие парогазовую форму, отводятся по стоякам в газосборник.

Процесс нагрева шихты в камерах идет от ее нагреваемых стенок к центру. В связи с малой теплопроводностью сырья в различных местах стадии коксования находятся на разных этапах.

Весь процесс образования кокса длится от 14 до 17 часов. Его продолжительность зависит от температуры сгорания шихты, ее состава и размеров камеры.

После завершения технологического процесса производства кокса выключаются нагревательные устройства и перекрываются стояки. К дверям коксовой камеры подходит выталкиватель, с помощью которого полученный продукт выгружается в тушильный вагон. Таким образом и происходит освобождение печи. После этого выталкиватель навешивает герметичные двери и отправляется по рельсам к следующей камере. Туда же следует и загрузочный вагон. Он открывает люки и загружается новой дозой переработанной шихты.

Доставка продукта в башню

Полученный в камерах кокс необходимо подвергнуть тушению. Ведь после его соприкосновения с воздухом происходит самовозгорание. В тушильном вагоне кокс доставляется в башню, где он окончательно гасится водой. Далее продукт высыпается из вагона на наклонную бетонированную поверхность, называемую рампой. Здесь в течение двадцати минут происходит его остывание. После этого кокс при помощи транспортеров поступает на сортировку.

Попутные продукты

Производство кокса невозможно без выделения летучих веществ. Они представляют собой смесь газов и паров. Такие компоненты в совокупности называют прямым коксовым газом. После обработки одной тонны шихты, влажность которой достигает 6 %, получается 270 кг прямого коксового газа. В объемном выражении эта цифра равна 330 метрам кубическим.

В прямом коксовом газе, полученном из одной тонны шихты, содержится:

— около тридцати килограмм каменноугольной смолы;
— 10 кг сырого бензола;
— 3 кг аммиака;
— 5 кг сероводорода;
— 80 кг воды;
— 140 кг обратного газа.

До недавнего времени коксохимическое производство являлось единственным поставщиком, предлагающим бензольные углеводороды. Однако после развития сферы нефтепереработок данные продукты стало возможным получать с меньшими капиталовложениями. Это привело к тому, что доля коксохимического производства в поставках бензольных углеводородов упала до сорока процентов. Данный продукт используют в качестве сырья в процессе органического синтеза. Легкая же его фракция перерабатывается с сырым бензолом.

Другие виды попутных продуктов после их ректификации и обработки химическими реагентами, а также после вымораживания с последующей кристаллизацией дают возможность для получения около трехсот химических соединений высокого качества.

Использование нефти

Это природное вещество, так же, как и уголь, является стратегически важным для нашей страны. Их него осуществляется производство кокса и нефтепродуктов, которые представляют собой:

— топливо;
— церезины и парафины;
— смазочные масла;
— битумы;
— пластичные смазки;
— сырье, предназначенное для основного органического и нефтехимического комплекса;
— прочие продукты.

Нефтяной кокс

Такое словосочетание носит собирательный характер. Под нефтяным коксом понимают продукты глубокой переработки «черного золота». Сырьем для его производства служат компоненты, полученные при первичной переработке нефти. Это гудрон и полугудрон, асфальт и экстракт.

Производство нефтяных коксов происходит одним из двух способов:

— замедленным коксованием, которое осуществляется в необогреваемых реакторах;
— в кубовых установках с применением горизонтальных реакторов обогреваемого типа.

Первый из этих двух способов является самым популярным. С его помощью производят практически восемьдесят процентов этого вида продукта.

Нефтяной кокс в дальнейшем используется при производстве электродов, а также анодных масс и анодов при выплавке алюминия. Находит он применение и в технологических процессах изготовления ферросплавов, абразивов, кремния. Широко задействуют нефтяной кокс в химической промышленности.

Получение данного продукта происходит при низком давлении. При этом поддерживается температура от 480 до 560 градусов. Это позволяет произвести нефтяной кокс и бензины, углеводородные газы, а также керосино-газойлевые фракции.

Процесс коксования представляет собой расщепление всех компонентов, входящих в состав сырья. При этом образуются жидкие дистиллятные фракции и углеводороные газы.

Промышленный процесс получения нефтяного кокса осуществляется с использованием установок трех типов. Помимо периодического коксования в специальных кубах и замедленного процесса в камерах оно может происходить непрерывно в псевдоожиженной массе коксаносителя. Рассмотрим один из них, применяющийся наиболее часто, подробнее.

Замедленное коксование

Данный процесс называют еще и полунепрерывным. Этот способ получения нефтяного кокса наиболее распространен в мировой практике. Он подразумевает такой технологический процесс, при котором предварительно нагретое до 350-380 градусов сырье непрерывно подается на особые тарелки, находящиеся в ректификационных колоннах. Подобные установки работают при атмосферном давлении. Сырье для производства нефтяного кокса стекает по тарелкам и контактирует с парами, поднимающимися из реакционных аппаратов. Результатом такого массо- и теплообмена становится конденсат. Именно он и образует вместе с исходным продуктом вторичное сырье, подлежащее дальнейшему нагреванию до 490-510 градусов в трубчатых печах.

Далее смесь поступает в коксовые камеры. Это вертикально расположенные полые цилиндры, высота которых достигает 22-30 метров, а диаметр – 3-7 м.

Реакционная масса поступает в коксовые камеры непрерывно. Причем этот процесс длится на протяжении от 24 до 36 часов. За это время масса, благодаря удерживаемой ею теплоте, постепенно коксуется. Когда камера заполняется конечным продуктом на 70-90 процентов, его удаляют с помощью обычной струи воды, находящейся под высоким давлением.

Далее кокс помещают в дробилку, в которой измельчается на кусочки, размер которых не превышает 150 мм. После этого продукт с помощью элеватора подается на грохот, сортирующий его на фракции разных размеров. Камера, в которой был получен кокс, подлежит прогреву водяным паром и теми парами, которые подаются из работающих аппаратов. Далее емкость вновь заполняется сырьем.

После прохождения технологического процесса возникают летучие продукты. Это парожидкостная смесь, которая непрерывно выводится из действующих камер и последовательно разделяется на газы вначале в ректификационной колонне, а затем — в водоотделителе и газовом блоке, а также в отпарной колонне.

businessman.ru

9.2. Технология коксохимического производства

Кокс – твердый матово-черный, пористый продукт. Из 1 т сухой шихты получают 650-750кг кокса. Он используется главным образом в черной и цветной металлургии, литейном производстве, а также для газификации, производства карбида кальция, электродов, как реагент и топливо в ряде отраслей химической промышленности. Кокс должен обладать достаточной механической прочностью, так как он может разрушаться в металлургических печах под давлением столба шихты, что нарушает их нормальную работу, снижает производительность и т.п.; он должен обладать теплотворной способностью 31,4 – 33,5 МДж/кг. Кокс получают на коксохимических заводах путем разложения коксующихся углей без доступа воздуха. Показателями качества кокса является горючесть и реакционная способность. Первый характеризует скорость горения кокса, второй – скорость восстановления им двуокиси углерода. Оба эти процесса гетерогенные, скорость их определяется не только составом кокса, но и его пористостью, так как от нее зависит поверхность контакта взаимодействующих фаз. Качество кокса также характеризуется содержанием в нем серы, золы, влаги и выходом летучих.

Сера, содержащаяся в коксе, при доменной плавке переходит в чугун, ухудшая его качество. Допустимое содержание серы в коксе 1,2 – 1,7%. Зола в коксе — это балласт, и содержание ее равно примерно 17%. Выход летучих веществ из кокса составляет около 1,0%. В коксе допустимо до 5% влаги, так как увеличение влажности понижает его теплотворную способность.

Коксовый газ получается в количестве 310 – 340 м³ на 1 т сухого угля. Состав и выход коксового газа определяются главным образом температурой коксования. Из камеры, в которой проводится коксование, выходит так называемый прямой

коксовый газ, содержащий газообразные продукты, пары каменноугольной смолы, сырого бензола и воды. После удаления из него смолы, сырого бензола, воды и аммиака получается так называемый обратный коксовый газ, который используется как сырье для химических синтезов. Помимо этого коксовый газ применяется для обогрева коксовых, сталеплавильных и других печей.

Каменноугольная смола – вязкая черно-бурая, со специфическим запахом жидкость, содержащая около 300 различных веществ. Наиболее ценными компонентами смолы являются бензол, толуол, ксилолы, фенол, крезолы, нафталин, антрацен, фенантрен, пиридин, карбазол, кумарон и др. Плотность смолы 1,7 – 1,20 г/см³. Выход смолы составляет от 3 до 4% от массы коксуемого сухого угля. Состав смолы зависит главным образом от температуры коксования, а выход – от температуры и природы исходных углей. С повышением температуры углубляется пиролиз углеводородов, что снижает выход смолы и увеличивает выход газа. Из каменноугольной смолы выделяют около 60 продуктов, используемых в качестве сырья для производства красителей, фармацевтических препаратов, инсектофунгицидов, пластических масс, химических волокон и т.п.

Сырой бензол – это смесь, состоящая из сероуглерода, бензола, толуола, ксилолов, кумарона и других веществ. Выход сырого бензола составляет в среднем 1,1% от массы угля. Выход зависит от состава и свойств исходного угля и температурных условий процесса. При разгонке из сырого бензола получают индивидуальные ароматические углеводороды и смеси углеводородов, служащие сырьем для химической промышленности.

Смола и сырой бензол служат главными источниками получения ароматических углеводородов для химической промышленности.

Надсмольная вода представляет собой слабый водный раствор аммиака и аммонийных солей с примесью фенола, пиридиновых оснований и некоторых других продуктов. Из надсмольной воды при ее переработке выделяется аммиак, который совместно с аммиаком коксового газа используется для получения сульфата -аммония и концентрированной аммиачной воды.

Коксование является одним из старейших химических производств. До середины XIX в. коксование проводилось для производства кокса для металлургии. Со второй половины XIX в. после получения в России Н.Н. Зининым анилина из нитробензола потребовались бензол, толуол, фонолы, крезолы, нафталин, антрацен и другие продукты, содержащиеся в каменноугольной смоле и сыром бензоле. Каменноугольная смола и сырой бензол превращаются из отходов производства в основные и важнейшие продукты. Почти на всех заводах строятся установки, на которых улавливаются каменноугольная смола и сырой бензол. Таким образом, создаются единые коксохимические производства.

Сырьем для коксования служат спекающиеся угли, которые дают прочный и пористый металлургический’ кокс, например коксующиеся угли марки К. В промышленной практике обычно составляется смесь – шихта, состоящая не только из коксующихся углей, но

из углей других марок. Это позволяет расширить сырьевую базу коксохимической промышленности, получить качественный кокс и обеспечить высокий выход смолы, сырого бензола и коксового газа. В углях, используемых для коксования, количество влаги должно быть в пределах 5…9%, золы до 7%, серы до 2%.

Технологический процесс химического производства начинается с подготовки сырья и приготовления шихты. Поступающий на предприятие уголь разделяется по составу и свойствам на группы, дробится и перемешивается, затем проходит стадию обогащения путем грохочения, обеспыливания, флотации и других процессов с целью устранения посторонних примесей.

Далее компоненты шихты подвергаются сушке и окончательному дроблению до крупности зерен не более 3 мм. Подготовленные компоненты шихты подаются в смесительные машины и затем в бункеры-накопители угольной башни.

Готовая шихта определенными дозами высыпается в бункеры загрузочного вагона, который доставляет ее в камеры коксовой батареи (рис. 9.1).

Нагревание угля сопровождается физическими и химическими превращениями: до 250 °С испаряется влага, выделяются окись и двуокись углерода; около 300° С начинается выделение паров смолы и образование так называемой пирогенетической воды; выше 350°С уголь переходит в пластическое состояние; при 500-550°С наблюдается разложение пластической массы с выделением первичных продуктов (газа и смолы) и твердение ее с образованием полукокса. Повышение температуры до 700°С приводит к разложению полукокса, выделению из него газообразных продуктов; выше 700°С преимущественно происходит упрочнение кокса. Летучие продукты, соприкасаясь с раскаленным коксом, нагретыми стенками и сводом камеры, в которой происходит коксование, превращаются в сложную смесь паров (с преобладанием соединений ароматического ряда) и газов, содержащих водород, метан и др. Большая часть серы исходных углей и все минеральные вещества остаются в коксе.

Рис. 9.1. Устройство коксовой батареи:

1 – коксовыталкиватель; 2 – газосборник; 3 – стояк; 4 – люк; 5 – загрузочный вагон; 6 – башня для тушения; 7 – герметичная дверь; 8 – рампа; 9 – тушильный вагон; 10 – газопровод; 11 – коксовая камера; 12 – регенератор; 13 – простенок; 14 – угольная башня 3000 т.

Устройство и работа коксовых печей – аппаратов косвенного нагрева, в которых тепло к коксуемому углю от греющих газов передается через стенку. Основным фактором, определяющим протекание процесса коксования, является повышение температуры, которое необходимо для нагрева шихты до температуры сухой перегонки и проведения эндотермических реакций коксования. Предел повышения температуры ограничивается снижением выхода смолы и. сырого бензола, изменением состава продуктов коксования, нарушением прочности огнеупорных материалов, используемых для кладки печей.

Коксовая печь или батарея (рис. 9.1.) состоит из 61-69 параллельно работающих камер 11, представляющих собой длинные, узкие каналы прямоугольного сечения, выложенные из огнеупорного кирпича (динаса). Каждая камера вмещает от 15 до 23т шихты, имеет переднюю и заднюю съемные двери, которые в момент загрузки камеры плотно закрыты и снимаются при выгрузке кокса. В своде камеры находятся загрузочные люки 4, которые открываются при загрузке угля и закрыты в период коксования. По рельсовому пути, расположенному над коксовыми камерами, перемещается загрузочный вагон 5, который через загрузочные люки подает шихту в коксовые камеры. Вдоль одной из сторон батареи по рельсовому пути перемещается коксовыталкиватель 1 – машина, которая после окончания процесса коксования вскрывает двери камеры и выталкивает образовавшийся кокс. С другой стороны по рельсовому пути перемещается тушильный вагон 9, который принимает раскаленный кокс, транспортирует его под башню тушения 6 и затем выгружает на рампу 8. Нагревание угля в камере происходит через стенки камеры дымовыми газами, проходящими по обогревательным простенкам, расположенным между камерами. Горячие дымовые газы получаются в результате сжигания доменного, обратного коксового или реже генераторного газов. Тепло дымовых газов, выходящих из обогревательного простенка, используется в регенераторах 12 для нагрева воздуха и газообразного топлива, поступающих на обогрев коксовых печей, в результате чего увеличивается тепловой кпд печи. При работе коксовой камеры для обеспечения равномерности прогрева угольной загрузки необходимо правильно выбрать габариты камеры и равномерно распределить греющие газы в обогревательном простенке. Ширина камеры обычно составляет 400-450 мм. Длина камеры ограничивается статической прочностью простенков, трудностью удаления кокса из камеры, сложностью распределения газов в обогревательном простенке. Длина камеры равна примерно 14м. Высота камеры определяется в основном условиями равномерного обогрева ее по высоте. С этой точки зрения удовлетворительные результаты получаются при высоте камеры около 5,5 м.

Р

Рис. 9.2. Разрез камеры с шихтой:

1 – стенка камеры; 2 – кокс; 3 – уголь в пластическом состоянии; 4 – неизмельченная шихта; 5 — полукокс

авномерное распределение греющих газов достигается разделением обогревательных простенков вертикальными перегородками на ряд каналов, называемых вертикалами. По вертикалам движутся греющие газы, которые отдают тепло стенкам камеры и уходят в регенераторы. Разность температуры между греющими газами в обогревательном канале и угольной шихтой изменяется во времени. После загрузки камеры шихтой значение ее велико, в холодную шихту в единицу времени поступает большое количество тепла, и уголь у стенок камер начинает коксоваться. Однако средние слои шихты при этом остаются холодными.

По мере прогрева угля разность температур постепен-но уменьшается, количество передаваемого тепла в единицу времени падает, но все же вследствие непрерывного при-тока тепла от газов происходит постепенное повышение темпе-ратуры по сечению камеры. Поэтому состояние материалов в камере во время коксования (рис. 9.2): у стенок будет слой образовавшегося кокса, далее при снижении температуры от стенок к оси камеры распо-лагается слой полукокса, затем угля, находящегося в пласти-ческом состоянии, и наконец в центре камеры неизменная шихта. Через 12-14 ч темпе-ратура по сечению выравнивается, слои перемещаются к оси камеры и постепенно угольная загрузка прококсовывается. Таким образом, по окончанию процесса коксования нагревающие устройства отключаются, стояки переключаются, к дверям камеры подводится выталкиватель, который выгружает коксовый пирог в тушильный вагон, медленно движущийся вдоль батареи. Затем выталкиватель навешивает двери освободившейся камеры и отправляется к следующей камере, а загрузочный вагон открывает загрузочные люки и производит загрузку новой дозы шихты.

Продолжительность выгрузки-загрузки камеры составляет около 15 минут. Поэтому для рационального использования механизмов число камер в батарее доводят до 70.

Выгруженный кокс подвергается тушению, так как при соприкосновении с воздухом он загорается.

Тушильный вагон доставляет его в башню, где кокс гасится водой, а после тушения высыпается на рампу, где остывает в течение 20 минут. Остывший кокс транспортируется на сортировку.

Выход кокса составляет 70-80% от массы шихты. Производительность одной кокосовой батареи составляет около 1500т кокса в сутки. В зависимости от назначения кокс делится на доменный, литейный, энергетический (предназначенный для получения ферросплавов, карбида кальция, электродов, для агломерации железных руд).

Выход продуктов из 1 т шихты, %, на Авдеевском коксохимическом заводе

Кокс сухой валовой – 75,3

Пековый кокс – 0,02

Смола каменноугольная – 3,85

Нафталин – 0,15

Бензол каменноугольный – 0,87

Фталевый ангидрид – 0,001

Сульфат аммония – 0,01

Обратный кокс газ – 12,8

Серная кислота – 0,007

Повышение экономической эффективности коксохимического производства достигается, прежде всего, совершенствованием технологии получения кокса. Так, внедрение непрерывного способа коксования позволяет снизить себестоимость кокса в среднем на 30% и повысить производительность труда в 3 раза по сравнению с обычным способом. Значительный эффект достигается при внедрении метода сухого (инертными газами) тушения кокса, позволяющего улучшить его качество и повысить производительность коксохимического производства.

studfiles.net

устройство, принцип работы, назначение. Технология производства кокса

Металлургическое производство просто немыслимо без использования кокса, который дает энергию для расплавления железосодержащей руды в шахте доменной печи. Однако сам процесс получения кокса достаточно трудоемкий и длительный. Для его создания строятся специальные промышленные агрегаты под названием «коксовые батареи». Об их устройстве, назначении и характерных особенностях и пойдет речь в данной статье.

Определение

Коксовые батареи – целый металлургический комплекс, основным предназначением которого является изготовление в требуемом объеме кокса для его последующей транспортировки в доменные цеха. Данные производственные объекты могут различаться по своим габаритам между собой, но в любом случае их размеры весьма внушительные.

Конструкция

Устройство коксовых батарей следующее. Главными элементами этих печей являются так называемые камеры коксования. Именно в них происходит процесс укладки сырья. Камер коксования в печи насчитывается не один десяток. Также важнейшими элементами батареи можно считать и отопительные промежутки, в которых протекает горение топлива. Ориентировочные линейные размеры камеры коксования таковы:

• Длина – от 12 до 16 метров.
• Высота – 4-5 метров.
• Ширина – 400-450 миллиметров.

В целом же комплекс, благодаря которому коксовые батареи имеют возможность работать беспрерывно на протяжении длительного промежутка времени, включает в себя следующие компоненты:

• Приемный бункер, в который поступает сырой уголь.
• Отделение смешивания и дробления угля.
• Башня распределительная.
• Тележка погрузочная.
• Камера коксования.
• Выталкиватель кокса.
• Вагон тушения.
• Башня тушения.
• Платформа, на которую выгружают остуженный готовый продукт.

Сама же печь для производства кокса в общем виде имеет в своем составе:

• Камеры для загрузки угольной шихты.
• Обогревательный простенок с системой отопительных каналов.
• Систему газораспределения и воздухоподвода.
• Регенератор для подогрева воздуха и вывода отработанных газов.
• Запорную арматуру и механизмы.

Классификация

Коксовые батареи в зависимости от режима эксплуатации бывают периодического и непрерывного действия. Отапливаться эти батареи могут:

• Исключительно доменным газом.
• Только коксовым газом.
• Смесью доменного и коксового газа.

Схема отопления батареи может включать в себя:

• Перекидной канал, благодаря которому газы имеют возможность попадать между простенками.
• Парный канал для рециркуляции.

Отопительный газ для батареи подводится к ней в двух исполнениях:

• Сбоку, когда коксовый газ идет по корнюру (газораспределительному каналу), а воздух и доменный газ – по подовым каналам регенератора.
• Снизу по специальной воздухораспределительной сети.

Несколько слов о регенераторе

Это специальное теплообменное устройство позволяет контактировать теплоносителю с чётко обозначенными поверхностями коксовой печи. Важно заметить, что горячий носитель тепла осуществляет нагрев холодной стены и насадки, а после этого они, в свою очередь, передают тепло уже холодному теплоносителю.

Бывают и другие виды теплообменников, которые называют «рекуператоры». В них холодный и горячий теплоносители проводят обмен энергией между собой через специально возведённую между ними стенку. При этом вначале вниз спускаются потоки горячих газов, а затем происходит срабатывание перекидных клапанов, благодаря чему снизу вверх начинает подниматься уже холодный поток воздуха.

Методы экономии топлива в коксохимическом производстве

Процесс коксования сам по себе является достаточно энергозатратным, что обуславливается потреблением весьма большого количества топлива. Поэтому для уменьшения расхода его потребления применяют следующие методы:

• Используют технологию сухого тушения кокса. Благодаря ей тепловая энергия продукта расходуется на нагрев пара или воды. В частности, с одной тонны готового кокса получается порядка 1 ГДж тепла в виде пара.
• Модернизацию применяемых регенераторов для максимального получения тепла от продуктов сгорания. Так, например, вполне можно увеличить площадь нагрева у насадки.
• Расчет оптимального промежутка времени между переключениями клапанов. Само собой, что чем чаще они переключаются, то в конечном счете это даст возможность снизить объем регенераторов и потери тепла в них. Вместе с тем стоит обязательно отметить, что слишком частое срабатывание клапанов неизбежно приведет к их быстрому выходу из строя и дополнительной нагрузке на все смежные узлы и детали.
• Нагрев шихты и сухое тушение кокса осуществляют одновременно.

Технологический процесс

Производство кокса весьма сложно. Поэтому, чтобы разобраться, как это работает в реальных условиях, стоит узнать технологический цикл как можно подробнее.

Цех по производству кокса всегда начинается с угольной башни. Именно в неё поступает сырье. В нижней части башни имеются специальные затворы. Через них уголь переправляется в приемные бункера углезагрузочной машины. С целью исключения вероятности подвисания угля внутри башни по всей ее высоте подведен сжатый воздух, который подается прерывистыми импульсами и гарантирует обрушивание налипшей на стены башни шихты. Башню непременно следует наполнять не менее чем на две трети ее объема.

Углезагрузочная машина наполняется либо по объему, либо по массе. Процесс ее наполнения контролируется весами. Уголь в печь подаётся сразу же после выдачи готового кокса. При этом подача шихты происходит через верх. В момент загрузки коксовой печи ответственное за это лицо – люковой – включает саму печь в газосборник и активирует инжекцию. Весь процесс загрузки занимает от трех до шести минут.

После этого печь тщательнейшим образом герметизируется, и начинается уже процесс нагрева шихты. Технология производства кокса в коксовых батареях предусматривает следующие температурные процессы:

• При 100-110°С проходит сушка угля.
• В пределах 110°С – 200°С выделяется гигросокпическая и коллоидно-связанная влага, окклюдированные газы.
• При 200°С – 300°С протекает термическая подготовка, которая сопровождается образованием газообразных продуктов термической деструкции и отщеплением термонеустойчивых содержащих кислород групп.
• 300-500°С – диапазон температур, при котором возникает пластическое состояние. Интенсивно выделяется газ и пар, образуется жидкая фаза.
• 550-800°С – коксование среднетемпературное. Синтез интенсифицируется.
• 900-1100°С – коксование высокотемпературное.

Отгрузка кокса из печи

Коксовая батарея, принцип работы которой описывается в данной статье, требует специальной подготовки перед выдачей готовой продукции из нее. Не менее чем за двадцать минут до начала выдачи печь в обязательном порядке отсекают от газосборника и сообщают ее с атмосферой посредством открытия крышки стояка.

После этого выполняется съем дверей печи и выполняется выталкивание кокоса из камеры в тушильный вагон при помощи специальной штанги. При этом если по каким-либо причинам происходит задержка плановой выдачи кокса более чем на десять минут, то двери следует установить обратно на место. Преждевременно открывать крышки стояков категорически запрещается, так как это может вызвать серьезное обрушение футеровки внутри батареи. Кроме того, двери печей должны обязательно быть очищены от графита и смолы до и после процесса выдачи готовой продукции. Тушение кокса в специальном вагоне – обязательная процедура, потому как без этой операции готовый кокс может вновь воспламениться.

Расчет коксовых батарей предусматривает, что печи должны иметь рабочий и ремонтный период. Во время рабочего цикла осуществляется выдача кокса, а во время ремонтного – проводится техническое обслуживание всех агрегатов и оборудования, уборка и прочее.

Сущность

На начальном этапе коксования идет сушка угля, удаляются все адсорбированные газы из него и стартует разложение. В момент перехода угля в пластичное состояние начинается спекание – процесс, который является решающим для всего цикла коксования. На третьем этапе полукокс испытывает прокаливание и упрочнение. Именно вязкая масса нагнетает сопротивление продвижению газов на пути их в газосборник, благодаря чему образуется давление коксования, которое на практике компенсируется усадкой уже сформированного кокса.

Консервация

«Почему нельзя останавливать коксовые батареи?» – именно такой вопрос можно очень часто услышать из уст человека, далекого от тонкостей и нюансов коксохимического производства. Все дело в том, что эти агрегаты ориентированы на работу при определённых условиях (высокая температура, абразивный износ и т. д.) и в случае внеплановой остановки без соответствующей подготовки эти печи способны лишиться свой внутренней кладки, которая просто разрушится. Однако на практике порой приходится приостанавливать работу коксовой батареи и выполнять опредленные консервационные мероприятия. Как это работает – описывать слишком долго, стоит лишь указать, что существует так называемая «прохладная» и «жаркая» консервация. Какой вариант из них выбрать – это решает непосредственно руководитель предприятия в зависимости от сложившейся ситуации и причин приостановки работы агрегата.

fb.ru

Технология производства нефтяного кокса и используемое в промышленности сырье — Нефтехимия

Коксование — это разложение при высокой температуре без доступа воздуха твердых и жидких горючих ископаемых с образованием летучих веществ и твердого остатка — кокса.

Коксование — это разложение при высокой температуре без доступа воздуха твердых и жидких горючих ископаемых с образованием летучих веществ и твердого остатка — кокса.

Сырье для получения нефтяного кокса

Качество сырья оказывает первостепенное влияние на характеристики конечного продукта − нефтяного кокса.

Производство кокса в СНГ в основном осуществляется на установках замедленного коксования (УЗК).

Характерной особенностью условий работы УЗК является использование в качестве сырья разнообразных смесей, остающихся на заводах в результате переработки нефти.

Сырьем служат тяжелые фракции нефти образующиеся в результате атмосферной и вакуумной перегонки нефти (мазуты, полугудроны, гудроны), крекинг-остатки от термического крекинга мазутов и гудронов, тяжелые газойли каталитического крекинга, остатки масляного производства (асфальт пропановой деасфальтизации гудрона, экстракты фенольной очистки масел и др.).

Из всех нефтяных остатков, склонных к образованию различных видов структур кокса, наиболее предпочтительными считаются ароматические концентраты (дистиллятный крекинг-остаток) и некоторые другие высокомолекулярные углеводороды.

По этой причине дистиллятное сырье относят к перспективным видам сырья.

НПЗ имеют разные производственные условия и работают на различных нефтях, поэтому для каждого НПЗ установки замедленного коксования строились с учетом конкретных условий.

Среди основных параметров, определяющих качество нефтей, таких как плотность, фракционный и химический состав нефтепродуктов, наиболее значимыми являются плотность и показатель сернистости.

Сера − одна из самых нежелательных примесей в составе сырых нефтей и конечного продукта − кокса.

В зависимости от массовой доли серы коксы, так же как и нефти, классифицируются на малосернистые, сернистые, высокосернистые.

Сернистые коксы отличаются менее благоприятными свойствами, по сравнению с малосернистыми коксами: вызывают коррозию оборудования, повышенное количество трещин в электродных изделиях, разрушение огнеупорной кладки печей прокаливания, вследствие чего их использование ограничено определенными областями.

Нефть, поступающая на нефтеперерабатывающие заводы, различается по составу, особенно по содержанию серы.

Для для России характерна переработка в основном сернистой и высокосернистой нефти.

К малосернистым (нефть с содержанием серы менее 0,5%) относят большую часть бакинских, грозненских, сахалинских, туркменских и некоторых украинских нефтей, а также казахстанских нефтей.

Сернистую нефть с содержанием серы 0,5-2,5% добывают в Урало-Поволжском районе (Туймазинское, Ромашинское месторождения и другие), в Западной Сибири (Самотлорское, Нижневартовское, Мегионское и другие).

К высокосернистым (нефть с содержанием серы более 2,5%) относятся месторождения − Арланское, Радаевское, Покровское (Урало-Поволжский район).

В настоящее время основным сырьем для получения кокса являются сернистые нефти.

Применение технологий, позволяющих получать качественный кокс независимо от состава исходной нефти, решает многие проблемы:
обеспечивает электродную промышленность качественным сырьем, позволяет задействовать в производстве более широкий диапазон нефтей, а также углубить процесс переработки нефти на НПЗ.

С целью обессеривания конечного продукта применяется прокаливание кокса.

Еще один путь получения обессеренного нефтяного кокса из высокосернистых марок нефти − это предварительное удаление серы из сырой нефти методом гидрообессеривания, гидрокрекинга, или деасфальтизации.

Этот вариант считается более действенным, несмотря на то, что является более сложным и требует дополнительных затрат.

На российские заводы нефть поставляется, главным образом, по системе магистральных нефтепроводов (МНП) Транснефти, в которой Западно-Сибирская нефть, марки Siberian Light смешивается с более тяжелой и сернистой нефтью марки Urals.

Способы получения сырого и обожженного нефтяного кокса

Коксование нефтяного сырья − наиболее жесткая форма термического крекинга нефтяных остатков.

Осуществляется при низком давлении и температуре 480-560 оС, с целью получения нефтяного кокса, а также углеводородных газов, бензинов и керосино-газойлевых фракций.

При коксовании происходит расщепление всех компонентов сырья с образованием жидких дистиллятных фракций и углеводородных газов; деструкция и циклизация углеводородов с интенсивным выделением керосино-газойлевых фракций; конденсация и поликонденсация углеводородов и глубокое уплотнение высокомолекулярных соединений с образованием сплошного коксового остатка.

Промышленный процесс коксования осуществляется на установках 3^х типов: периодическое коксование в коксовых кубах, замедленное коксование в камерах, непрерывное коксование в псевдоожиженном слое кокса-носителя.

Замедленное коксование

Замедленное (полунепрерывное) коксование наиболее широко распространено в мировой практике.

Сырье, предварительно нагретое в трубчатых печах до 350-380 оС, непрерывно поступает на каскадные тарелки ректификационной колонны (работающей при атмосферном давлении), стекая по которым, контактирует с поднимающимися навстречу парами, подаваемыми из реакционных аппаратов.

В результате тепло- и массообмена часть паров конденсируется, образуя с исходным сырьем так называемое вторичное сырье, которое нагревается в трубчатых печах до 490-510 ^оС и поступает в коксовые камеры − полые вертикальные цилиндрические аппараты диаметром 3-7 м и высотой 22-30 м.

В камеру реакционная масса непрерывно подается в течение 24-36 часов и благодаря аккумулированной ею теплоте коксуется.

После заполнения камеры коксом на 70-90% его удаляют, обычно струей воды под высоким давлением (до 15 МПа).

Кокс поступает в дробилку, где измельчается на куски размером не более 150 мм, после чего подается элеватором на грохот, где разделяется на фракции 150-25, 25-6 и 6-0,5 мм.

Камеру, из которой выгружен кокс, прогревают острым водяным паром и парами из работающих коксовых камер и снова заполняют коксуемой массой.

Летучие продукты коксования, представляющие собой парожидкостную смесь, непрерывно выводятся из действующих камер и последовательно разделяются в ректификационной колонне, водоотделителе, газовом блоке и отпарной колонне на газы,

Типичные параметры процесса: температура в камерах 450-480 ^оС, давление 0,2-0,6 МПа, продолжительность до 48 часов.
Достоинства замедленного коксования − высокий выход малозольного кокса.

Из одного и того же количества сырья этим методом можно получить в 1,5-1,6 раза больше кокса, чем при непрерывном коксовании.

На российских НПЗ эксплуатируются 1-блочные и 2-блочные установки коксования (каждый блок состоит из 2^х или 3^х реакторов) нескольких типов.

Компоновка, проектирование установок произведены по проектам институтов Гипронефтезаводы и ВНИПИнефть.

Периодическое коксование

Проводят в горизонтальных цилиндрических аппаратах диаметром 2-4 м и длиной 10-13 м.

Сырье в кубе постепенно нагревают снизу открытым огнем.

Далее обычным способом выделяют дистилляты, кокс подсушивают и прокаливают (2-3 часа).

После этого температуру в топке под кубом постепенно снижают и охлаждают куб сначала водяным паром, а затем воздухом.

Когда температура кокса понизится до 150-200 ^оС, его выгружают.

Типичные параметры процесса: температура в паровой фазе 360-400 ^оС, давление атмосферное.

Этим способом получают электродный и специальный виды высококачественного кокса с низким содержанием летучих.

Однако способ малопроизводителен, требует большого расхода топлива, а также значительных затрат ручного труда и поэтому почти не используется в промышленности.

Непрерывное коксование в кипящем слое (термоконтактный крекинг)

Сырье, предварительно нагретое в теплообменнике, контактирует в реакторе с нагретым и находящимся во взвешенном состоянии инертным теплоносителем и коксуется на его поверхности в течение 6-12 минут.

В качестве теплоносителя используется обычно порошкообразный кокс с размером частиц до 0,3 мм, реже более крупные гранулы.

Образовавшийся кокс и теплоноситель выводят из зоны реакции и подают в регенератор (коксонагреватель).

Там слой теплоносителя поддерживается во взвешенном состоянии с помощью воздуха, в токе которого выжигается до 40% кокса, а большая его часть направляется потребителю.

Благодаря теплоте, выделившейся при выжигании части кокса, теплоноситель нагревается и возвращается в реактор.

Для перемещения теплоносителя используется пневмотранспорт частиц кокса, захватываемых потоком пара или газа.

Дистиллятные фракции и газы выводят из реактора и разделяют так же, как при замедленном коксовании.

Типичные параметры процесса: температура в теплообменнике 300-320 ^оС, реакторе 510-540 ^оС и регенераторе 600-620 ^оС, давление в реакторе и регенераторе 0,14-0,16 и 0,12-0,16 МПа соответственно, теплоноситель — (6,5-8,0)

Коксование в кипящем слое используют для увеличения выхода светлых нефтепродуктов. Кроме того, сочетание непрерывного коксования с газификацией образующегося кокса может быть применено для получения дизельных и котельных топлив.

Прокаливание

Перед использованием нефтяной кокс обычно подвергается облагораживанию, включающему несколько процессов.

При прокаливании удаляются летучие вещества и частично гетероатомы (например, сера и ванадий), снижается удельное электрическое сопротивление.

При графитировании 2-мерные кристаллиты превращаются в кристаллические образования 3-мерной упорядоченности.

В общем виде стадии облагораживания можно представить следующей схемой: Кристаллиты → карбонизация (прокаливание при 500-1000 ^оС) → 2-мерное упорядочение структуры (1000-1400 ^оС) → предкристаллизация (трансформация кристаллитов при 1400 ^оС и выше) → кристаллизация, или графитированние (2200-2800 ^оС).

Применение кокса:

— алюминиевая промышленность, в качестве восстановителя (анодная масса) при выплавке алюминия из алюминиевых руд (бокситов). Удельный расход кокса 550 — 600 кг/т алюминия.

— сырье для изготовления электродов, используемых в сталеплавильных печах;

— сырье для получения карбидов (кальция, кремния), которые применяются при получении ацетилена;

— производство шлифовочных, абразивных материалов,

— при изготовлении проводников, огнеупоров и др.

— в качестве восстановителей и сульфидирующих агентов (сернисты1 и высокосернистый),

— для изготовления химической аппаратуры, работающей в условиях агресивных сред, в ракетной технике и тд (конструкционный материал).

neftegaz.ru

Применение кокса | Металлургический портал MetalSpace.ru

Почему каменноугольный кокс в металлургии вытеснил древесный уголь? Пользуясь древесным углем, невозможно было удовлетворить потребности промышленности в металле. Во-первых, это обратило бы земной шар в безлесную пустыню. Во-вторых, древесный уголь имел малую прочность. Для производства большого количества металла необходимо было строить доменные печи больших размеров. Чем выше доменная печь, тем больше столб руды, флюсов, угля, тем большая нагрузка приходится на уголь. Не выдерживая нагрузки, уголь крошится. Образовавшаяся при этом угольная пыль набивается между кусками руды. Газы не могут преодолеть сопротивление столба шихты, плавка замедляется, а то и прекращается полностью. Хрупкость, недостаточная прочность древесного угля не позволяла сооружать большие домны. Для этого необходим был более прочный углеродистый материал.

Все это не значит, естественно, что неизбежная победа каменноугольного кокса оказалась простой и легкой. Путь кокса в домны оказался длиной почти в двести лет.

И каменный уголь, и кокс, получаемый из него, содержат немало примесей, которых нет в древесном угле. Так, в древесном угле практически нет серы, а в каменных углях ее немало. Даже в малосернистых углях, добываемых в Кузнецком каменноугольном бассейне (Кузбассе), содержится до одного процента серы. В углях Донецкого угольного бассейна ее в три раза больше, а из шахт Кизеловского бассейна в Пермской области, где добывали коксующийся уголь в Х1Х – ХХ вв. серы 3 – 5%. Сера из кокса попадает в чугун, а из него в сталь. Чем больше серы в стали, тем хуже она работает при высоких температурах. Именно примеси серы делают металл ломким в нагретом состоянии (прокатка, штамповка). Это и называется «красноломкостью».

Стандарты устанавливают очень жесткие нормы содержания серы в сталях и ограничивают применение стали, в которой «много» серы. Конечно, серу кокса можно связать в шлаки. Но это означает, что в домну надо подать дополнительное количество флюсов, в основном, известняка и доломита. А чтобы их нагреть, расплавить шлак, нужно подавать дополнительные тонны кокса, при этом уменьшается производительность доменной печи.

После сгорания древесного угля остаются всего десятые доли процента золы. А зольность каменного угля и тем более кокса намного выше. В среднем, зольность металлургического кокса, полученного из каменного угля, составляет 10 – 12%. Зола является балластом, и ее обращают в плавкий шлак. А для этого в доменную печь надо добавлять дополнительно флюсы, в основном, известняки и доломиты, а значит расходовать больше тепла на плавление шлака.

Что же такое кокс? Сравним каменный уголь и приготовленный из него кокс. Уголь – вещество черного цвета. В нем заметны блестящие и матовые прослойки. Кокс – серо-стального цвета, плотный, оплавленный, намного прочнее угля. Уголь горит коптящим пламенем, а кокс дает розовато-голубое пламя без следов копоти. Отличаются они и по химическому составу.

Кокс – точнее его горючая масса – почти чистый углерод. В угле же содержится много водорода и кислорода. Получают кокс путем нагрева каменного угля без доступа воздуха. При этом разлагается вещество угля, выделяются газообразные продукты распада.

Как топливо уголь известен человечеству более 25 столетий, а поделочный камень (гагат), тот же уголь по происхождению, известен намного раньше.

Еще ученик Аристотеля Теофраст в книге «История камня» сравнивал каменный и древесный угли и указывал на возможность применения каменного угля для выплавки металлов.

В Европе добыча угля как топлива велась уже римлянами на территории Британии. Имеются сведения, что более двух тысяч лет назад в Китае, в провинции Юннань, производили кокс. Письменные источники указывают на подземную добычу угля в XII в. на территории Бельгии и Моравии (тогдашней Чехии). С XIII в. в Европе известны случаи применения каменного угля в кузнечных горнах. Эти сорта угля и в настоящее время в Западной Европе называют кузнечными.

Первые патенты по коксованию углей относятся к концу XVII в. Пионерами в этом деле не зря стали англичане.

Для получения древесного угля в XV—XVI вв. на английских островах было предано сожжению столько лесов, что над ними нависла угроза полного истребления. А ведь немало древесины требовалось и для строительства домов, кораблей, мостов. Было тут, отчего забить тревогу. Напомним, что в 1558 г. королева Елизавета издала указ, запрещавший на большей части территории Англии использовать лес для выжига древесного угля. Но, видимо, металлурги ухитрялись нарушать королевское веление, поэтому спустя четверть века появился новый государственный указ, согласно которому в ряде графств вообще не разрешалось заниматься выплавкой железа. В последующие годы этот запрет распространился почти на все районы Англии. Остывшие доменные печи «прозябали» без живительного топлива — выплавка чугуна в стране резко упала. Железо приходилось ввозить из России, Швеции и других стран.

Тяжелое положение, в котором оказалась в связи с этим английская промышленность, вынудило металлургов искать замену древесному углю. И, прежде всего их взоры обратились к каменному углю, которым природа, не скупясь, одарила британские острова. Крупные угольные залежи располагались близко к поверхности земли. После прядения и ткачества добыча угля и металлургия была одной из главных отраслей развивающейся промышленности.

 К этому времени каменный уголь, выделявший при сгорании больше тепла, чем древесный, уже успел снискать репутацию отлично­го топлива, но… не для доменных печей. Все попытки выплавить чугун на каменном угле кончались неудачей: металл содержал вред­ные примеси — серу и фосфор, расход топлива был очень большим.

И все же слишком заманчивой была идея замены в доменной плавке древесного угля каменным, крупные залежи которого могли надолго обеспечить топливом металлургическую промышленность. Не мудрено, что многие англичане, да и не только они, пытались решить эту задачу.

История донесла до нас имя священника Симона Стуртеванта, немца по происхождению, который в паузах между молитвами пре­давался сугубо земным металлургическим заботам. В 1611 г. он по­лучил привилегию, касающуюся употребления «морского или гор­ного угля» при различных железоделательных операциях. Но то ли наскучило ему вскоре это дело, то ли мысли о спасении души за­полнили все его бренное существование, во всяком случае, уже че­рез год Стуртевант отказался от своей привилегии.

Пожалуй, одним из первых, кому определенно удалось добиться успеха, был совсем еще молодой английский металлург Дод Додлей — побочный сын знатного лорда, владевшего несколькими железоделательными заводами. В 1619 г. Додлей получил королевский патент, свидетельствовавший о том, что его владелец «открыл после долгих трудов и многих дорогостоящих опытов секрет, способ и средства выплавки железной руды и производства из нее чугунного литья или брусков путем применения каменного угля в печах с раздувательными мехами, причем результаты получились такого же хорошего качества, как и те, что до сих пор производились при помощи древесного угля, — изобретение, еще никем до сих пор не совершенное в нашем английском королевстве…».

Долгая жизнь, прожитая Додлеем, была до краев наполнена дра­матическими событиями. Чего только не довелось ему испытать: конкуренты разрушили его завод, он сидел в лондонской долговой тюрьме, принимал участие в гражданской войне, дважды попадал в плен и приговаривался к расстрелу, но оба раза бежал, получил тя­желое ранение, был коварно обманут своими компаньонами — сло­вом, скучать ему не приходилось. Но, к сожалению, в этом жизненном калейдоскопе Додлей так и не смог осуществить на практике свое изобретение. Он никому не пожелал открыть секрет, и после его смерти металлургия вновь осталась без минерального топлива.

Дод Додлей в своей книге по металлу писал: «Если леса будут и впредь уменьшаться, для нас будет потеряно то, что составляет главную силу и величие Англии: ее корабли, ее торговля, ее матросы, ее рыболовство, военный флот ее величества, наше наступательное и оборонительное оружие».

Используя каменноугольный кокс, Додлей получил хороший чугун. Но ему не повезло. Повсеместного распространения его способ не получил, а патент был составлен, вероятно, не совсем понятно и поэтому не был расшифрован.

В 1651 г. англичанин Бук получил один из первых патентов на выработку железа с использованием каменного угля взамен древесного. Но железо или чугун получались плохого качества. В 1681 г. известный немецкий химик Иоганн Бехер затребовал патент на «новый метод получения кокса и смолы из торфа и каменного угля, никем никогда ранее не открытый и не примененный»

Лишь в 1735 г., т. е. спустя 116 лет после выдачи патента Додлею, доменный процесс был впервые осуществлен полно­стью на коксе — полученном из каменного угля – топливе, без которого немыслимы сегодня ни доменная плавка, ни ряд других металлургических процессов.

Изобретение коксования — важное событие в истории техники, связанное с именем английского железопромышленника Абрахама Дерби-сына. Семейный клан Дерби владел железоделательным заводом в Колбрукдейле.

Опыты по превращению каменного угля в кокс и использованию его при выплавке чугуна начал проводить еще родоначальник династии — Абрахам Дерби-отец, но до конца решить проблему ему не удалось.

Каменноугольный кокс получали также как и древесный – коксованием в кучах различных видов угля, но пригодного для доменной плавки получить никак не удавалось.

 Работу отца продолжил сын, прекрасно понимавший значение перевода доменной плавки на минеральное топливо. Однако получить отвечающий всем требованиям кокс оказалось необычайно сложно. На эксперименты, проводившиеся один за другим, понадобился не один год. Когда же желаемый кокс, наконец, был получен, его тут же загрузили в доменную печь

Как пишет С.А. Венецкий, по семейному преданию, Дерби круглые сутки, не зная сна, дежурил у печи в ожидании результатов плавки. Прошло несколько дней, наполненных волнением и тревогой, надеждами и разочарованиями. Лишь на шестой день, под вечер, домна дала отличный чугун. И тут же прямо у печи счастливый Дерби уснул мертвецким сном. Так и отнесли его, спящего, домой.

 К концу XVIII в. практически все домен­ные печи Англии работали на каменноугольном коксе. Однако переход на топливо со значительно большей теплотой сгорания потребовал увеличить количество воздушного ду­тья, подаваемого в печь. Водяное колесо уже не могло справиться с такой задачей — на смену ему пришла паровая машина.

 Еще в 1711 г. англичанин Томас Ньюкомен изобрел пароатмосферную поршневую машину для подъема воды из шахт. Спустя четыре де­сятилетия все тот же Абрахам Дерби-сын применил эту машину для привода доменной воздуходувки. Но машина была далека от совершенства и работала с частыми перебоями. Усовершенствова­нием машины Ньюкомена в одно и то же время занимались два замечательных изобретателя — англичанин Джеймс Уатт и наш соотечественник И. И. Ползунов.

В 1763 г. Ползунов, работавший на медеплавильном заводе в Барнауле, создал проект «огнедействующей машины для заводских нужд». Ползунову не суждено было увидеть свое детище в работе: в 1763 г., за неделю до пробного пуска машины, изобретатель умер. В течение некоторого времени установка успешно обеспечивала воз­душным дутьем три плавильные печи. Однако квалифицированных специалистов, способных обслуживать машину, на заводе не было. Начались поломки, котел дал течь, машину остановили, а потом и вовсе сломали.

К работам Д. Уатта судьба оказалась благосклоннее: в 1784 г. он получил патент на универсальную паровую машину двойного действия. К этому периоду относится и появление первой паровой воздуходувки на доменных печах английских заводов.

Следующий значительный шаг в развитии доменного производ­ства был сделан спустя примерно полвека, когда шотландский изобретатель Джеймс Бомон Нилсон предложил нагревать воздух, прежде чем подавать его в доменную печь. Как это часто бывает, это замечательное открытие, произведшее подлинную революцию в металлургии, возродило английскую железоделательную индустрию и открыло широкие перспективы перед каменноугольной промышленностью и металлургией, сразу не было оценено.

Воздухонагреватель Нилсона был далек от совершенства: прохо­дя по чугунным трубам, расположенным в топке, воздух мог на­греваться лишь до 300 — 400С (иначе трубы перегорали и быст­ро выходили из строя). В 1857 г. английский инженер Эдуард Альфред Каупер предложил оригинальную конструкцию доменно­го воздухонагревателя — высокую цилиндрическую башню из стальных листов, внутри которой по всей ее высоте была выложе­на решетка из огнеупорного кирпича. Кирпичи нагревались докрас­на горячими газами, а затем подачу газов прекращали, и через ре­шетку, или, точнее, насадку, пропускали воздух. Благодаря большой поверхности кирпичей воздух теп0ерь мог нагреваться до 600 — 700С. Спустя несколько лет Каупер развил свою идею, предложив для нагрева огнеупорной насадки сжигать отходящие газы доменной печи.

Были заложены первые основы неразрывного союза этих двух гигантских областей производства. Логическим продолжением изобретения Додлея и Дерби явилось применение каменного угля при переработке чугуна в ковкое железо и сталь, осуществленное Генри Кортом в его пудлинговых печах.

Угольная промышленность Англии (особенно в окрестности Нью-Касла) становится центром мировой добычи угля. Удобный порт, он быстро становится центром добычи и торговли углем двух обширных графств – Нортумберленда и Дергема.

 «Черной Индией» называли этот край, приносящий их торговцам и владельцем копей баснословные богатства, такие же, какие английская аристократия и молодая буржуазия выкачивали из захваченной Индии. Уголь вывозился не только в разные районы Англии, но и за границу. «Неукостильское уголье» пылало в кузнечных горнах на заводах Кронштадта, Санкт-Петербурга, Сестрорецка, Петрозаводска.

В XVIII в. топливная проблема черной металлургии в Европе была разрешена, кокс начинают применять и в других отраслях промышленности.

ПОДЕЛИСЬ ИНТЕРЕСНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ

metalspace.ru

Кокс. Коксохимическое производство. Технологическое топливо

Автор: редакционная статья

Категории: коксохимическое производство

Топливо — вещество, выделяющее в результате тех или иных преобра­зований энергию, которая может быть технически использована. По прин­ципу освобождения энергии различают два вида топлива: ядерное топливо, выделяю­щее энергию в результате ядерных преобразований, и химическое топливо, кото­рое выделяет энергию при окислении горючих элементов, входящих в со­став этого топлива.

 

Кокс. Коксохимическое производство. Технологическое топливо. Общие понятия и определения.

Основные разновидности природного топлива древесина, торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит, сланец, нефть, природный горючий газ. Все горючие ископаемые (ГИ) — твердые, жидкие и газообразные — обра­зовались из остатков растительного и животного происхождения и называ­ются каустобиолитами (от греческого каустос — горючий, биос — жизнь, литое — камень). Нефть и природный газ относят к каустобиолитам пото­му, что они образовались из нефтегазоматеринского вещества, пребываю­щего в твердом состоянии.
Особенности различных природных топлив связаны типом исходного органического вещества, геологическим возрастом и горно-геологическими условиями. Торф, бурые и каменные угли, антрациты произошли из выс­ших растений. Каждый из указанных видов топлив именует соответствую­щую стадию зрелости: торфяную, буроугольную, каменноугольную и ан­трацитовую. Этим стадиям соответствуют определенные свойства: содер­жание углерода, выход летучих веществ, зольность, теплотворная способ­ность (см. УГОЛЬ).
Наиболее важной технической характеристикой топлива является его состав, который служит исходной информацией для анализа процессов го­рения в промышленных установках (котлы, металлургические печи, возду­хонагреватели, зажигательные горны и т. п.). Состав топлива выражают результа­тыэлементного и технического анализов. В табл. 108 представлены па­раметры, характеризующие составы твердого, жидкого и газообразного топлива и принятые символы их обозначений. В табл. 109 приведены элементные анализы восьми видов топлива: торфа, бурого угля, каменного угля и др. Здесь следует обратить внимание на следующее: по мере возрастания стадии зре­лости в топливе увеличивается содержание углерода и уменьшается сумма 0+N+S (в торфе и буром угле — 39—30%, в антраците — 1%). Нефть и природный газ характеризуются большим отношением Н/С , чем каменный уголь и антрацит.

Средний элементный состав горючих ископаемых

№ п/п	Вид топлива	Состав, % (масс.)
		С	H	О, N, S
1	Торф	55	6	39
2	Бурый уголь	65	5	30
3	Каменный уголь	80	5	15
4	Антрацит	96

www.metaljournal.com.ua

Производство кокса: технология и особенности

Что такое кокс? Это стратегически важный продукт, полученный путем термического бескислородного разложения. Подразделяется он на многие виды. Так, выделяют нефтяной и пековый, торфяной и каменноугольный кокс. Но основным из них является последний вид. Именно каменноугольный кокс выступает базовым компонентом доменного производства.

Важный продукт

Что означает слово «кокс»? Морфология данного понятия говорит нам о том, что это горючий твердый остаток, образующийся при термическом безкислородном нагреве некоторых органических веществ, в числе которых уголь (бурый или каменный), нефть, а также торф. Само слово имеет английские корни. Coke означает не что иное, как продукт, полученный путем термического разложения.

Производство кокса в России является важной составляющей промышленного комплекса. По данным статистики, этот стратегически важный продукт ежегодно выпускается в объеме 27 млн тонн. В таких количествах он жизненно необходим литейному производству и металлургической промышленности. Самый крупный российский производитель кокса — «Северсталь». Эта корпорация владеет собственным производством данного вида топлива и использует его для нужд своих же металлургических заводов. самые большие доменные печи, принадлежащие «Северстали», находятся в Череповце. Они выпускают наиболее высококачественный кокс.

Шихта

Для поддержания горения доменных печей требуется большое количество каменноугольного кокса. Данный продукт представляет собой пористую, но в то же время твердую спекшуюся массу. Она получается в результате удаления летучих веществ из каменного угля.

Кокса химическое производство основано на процессе гидролиза. Помимо этого, возможен и сухой перегон каменного угля. Но в любом случае производство кокса связано с нагреванием исходного продукта без малейшего доступа воздуха. Целью гидролиза является отделение углерода от всех остальных веществ, входящих в состав угля. Что представляет собой сырье для производства кокса? Это каменный уголь различных сортов, в том числе жирный и коксовый, газовый и тощий. Называют такое сырье шихтой. Основу данного продукта составляет самый дорогой сорт – коксующийся уголь. На металлургические заводы России шихту доставляют из месторождений Кузбасса, а также Печоры. Богатыми залежами коксующихся углей может гордиться и Якутия. Здесь их добывают на территории Нерюнгри, до которой специально была проведена ветка железной дороги.

В связи со своими масштабами производство кокса требует большого количества сырья. Его доставляют к производственным цехам в насыпных вагонах. Здесь шихту перегружают в огромные башни, в которых специальные механизмы, будто насосы, закачивают поступивший уголь в коксовые колонки. Зимой шихта поступает, как правило, в замерзшем состоянии. И поэтому перед выгрузкой ее отогревают прямо в вагонах, загоняя их в специальные огромные ангары.

Подготовка шихты

Непосредственно само производство кокса начинается с сортировки шихты. Весь уголь, пришедший на завод, разделяется по своему свойству и составу на нужные группы. После этого шихта дробится и перемешивается. Далее следует ее дозировка. Она производится на автоматических весах. После такой подготовки шихта обогащается с использованием обеспыливания, грохочения, мытья, флотации и прочих способов. Все это позволяет устранить из сырья посторонние примеси. После шихта подлежит сушке и поступает на заключительный этап дробления, в результате которого получаются зерна, радиус которых не превышает 3 мм.

Подготовленное таким образом сырье готово для того, чтобы начать производство доменного кокса. Оно перегружается в смесительные агрегаты, а затем поступает в бункеры накопителя, находящиеся в угольной башне.

Коксовые батареи

Готовое сырье, которое необходимо для того, чтобы осуществить производство кокса, высыпается из угольной шахты в бункер загрузочного вагона. После этого оно доставляется в коксовые батареи. Это система, состоящая из нескольких камер, в которых и происходит процесс производства конечного продукта.

Коксовая камера представляет собой сооружение, стены которого выложены огнеупорным кирпичом. Его длина – 13-15 м, ширина – 0,4-0,5 м, высота – 5-5,5 м. Подобные габариты камеры позволяют осуществить процесс производства кокса достаточно быстрыми темпами.

В сводах подобных камер имеется по три-четыре люка с плотно закрывающимися крышками. Они предназначены для загрузки сырья. В торцевых стенах камер также имеются герметичные металлические двери. В процессе того, как образуется кокс, производство требует отвода появляющихся при этом газообразных продуктов. Это также предусмотрено в конструкции камер. В своей верхней части они имеют специальные стояки, по которым летучие вещества попадают в газосборник.

В то время, когда осуществляется производство кокса, технология процесса требует значительного обогрева камер. Для этого между ними конструируют специальные простенки. Они представляют собой целую систему отопительных каналов, по которым перемещаются горячие газы. В результате происходит обогрев стенок камер. В нижней части сооружений для производства кокса размещены регенераторы. Они необходимы для подогрева камер газами, подаваемыми через газопроводы, а также теми, которые отходят из воздуха.

Прогрев шихты

Над коксовыми камерами располагается рельсовый путь. По нему перемещается загрузочный вагон. С него шихта через люки попадает в камеру. Это происходит благодаря расположенным на вагоне специальным механизмам, которые могут откручивать, а затем и закрывать герметичные крышки.

По рельсовому пути, расположенному вдоль одной из сторон камеры, передвигается специальная коксовыталкивательная машина. Именно она подходит к боковым дверям и вскрывает их. Далее это устройство выталкивает полученный кокс. С другой стороны к камере подходит тушильный вагон. Он принимает раскаленный продукт и транспортирует его в зону, находящуюся под башней для тушения, выгружая затем на рампу.

Образование конечного продукта

Все производства металлургического кокса строго соблюдают технологические процессы, которые требуют не допустить попадания воздуха в камеру. Как это происходит? Процесс получения кокса начинается сразу после того как загрузочный вагон поставляет отмеренную дозу шихты в камеру. При этом происходит закрытие ее люков и включение подогревающих устройств.

Что происходит на начальном этапе, когда осуществляется производство кокса? Технология процесса на первой своей стадии предусматривает выделение из готового сырья газов и воды. После этого происходит плавление и оседание шихты. Дальнейшее повышение температуры приводит к вспучиванию данного промежуточного продукта. Это происходит в связи с дальнейшим выделением газов и паров. Далее шихта постепенно отвердевает. Что представляет собой последняя стадия процесса, в результате которой получается кокс? Производство этого продукта осуществляется при растрескивании и усадке спека. В итоге происходит образование так называемого коксового пирога. Все фракции, имеющие парогазовую форму, отводятся по стоякам в газосборник.

Процесс нагрева шихты в камерах идет от ее нагреваемых стенок к центру. В связи с малой теплопроводностью сырья в различных местах стадии коксования находятся на разных этапах.

Весь процесс образования кокса длится от 14 до 17 часов. Его продолжительность зависит от температуры сгорания шихты, ее состава и размеров камеры.

После завершения технологического процесса производства кокса выключаются нагревательные устройства и перекрываются стояки. К дверям коксовой камеры подходит выталкиватель, с помощью которого полученный продукт выгружается в тушильный вагон. Таким образом и происходит освобождение печи. После этого выталкиватель навешивает герметичные двери и отправляется по рельсам к следующей камере. Туда же следует и загрузочный вагон. Он открывает люки и загружается новой дозой переработанной шихты.

Доставка продукта в башню

Полученный в камерах кокс необходимо подвергнуть тушению. Ведь после его соприкосновения с воздухом происходит самовозгорание. В тушильном вагоне кокс доставляется в башню, где он окончательно гасится водой. Далее продукт высыпается из вагона на наклонную бетонированную поверхность, называемую рампой. Здесь в течение двадцати минут происходит его остывание. После этого кокс при помощи транспортеров поступает на сортировку.

Попутные продукты

Производство кокса невозможно без выделения летучих веществ. Они представляют собой смесь газов и паров. Такие компоненты в совокупности называют прямым коксовым газом. После обработки одной тонны шихты, влажность которой достигает 6 %, получается 270 кг прямого коксового газа. В объемном выражении эта цифра равна 330 метрам кубическим.

В прямом коксовом газе, полученном из одной тонны шихты, содержится:

— около тридцати килограмм каменноугольной смолы;
— 10 кг сырого бензола;
— 3 кг аммиака;
— 5 кг сероводорода;
— 80 кг воды;
— 140 кг обратного газа.

До недавнего времени коксохимическое производство являлось единственным поставщиком, предлагающим бензольные углеводороды. Однако после развития сферы нефтепереработок данные продукты стало возможным получать с меньшими капиталовложениями. Это привело к тому, что доля коксохимического производства в поставках бензольных углеводородов упала до сорока процентов. Данный продукт используют в качестве сырья в процессе органического синтеза. Легкая же его фракция перерабатывается с сырым бензолом.

Другие виды попутных продуктов после их ректификации и обработки химическими реагентами, а также после вымораживания с последующей кристаллизацией дают возможность для получения около трехсот химических соединений высокого качества.

Использование нефти

Это природное вещество, так же, как и уголь, является стратегически важным для нашей страны. Их него осуществляется производство кокса и нефтепродуктов, которые представляют собой:

— топливо;
— церезины и парафины;
— смазочные масла;
— битумы;
— пластичные смазки;
— сырье, предназначенное для основного органического и нефтехимического комплекса;
— прочие продукты.

Нефтяной кокс

Такое словосочетание носит собирательный характер. Под нефтяным коксом понимают продукты глубокой переработки «черного золота». Сырьем для его производства служат компоненты, полученные при первичной переработке нефти. Это гудрон и полугудрон, асфальт и экстракт.

Производство нефтяных коксов происходит одним из двух способов:

— замедленным коксованием, которое осуществляется в необогреваемых реакторах;
— в кубовых установках с применением горизонтальных реакторов обогреваемого типа.

Первый из этих двух способов является самым популярным. С его помощью производят практически восемьдесят процентов этого вида продукта.

Нефтяной кокс в дальнейшем используется при производстве электродов, а также анодных масс и анодов при выплавке алюминия. Находит он применение и в технологических процессах изготовления ферросплавов, абразивов, кремния. Широко задействуют нефтяной кокс в химической промышленности.

Получение данного продукта происходит при низком давлении. При этом поддерживается температура от 480 до 560 градусов. Это позволяет произвести нефтяной кокс и бензины, углеводородные газы, а также керосино-газойлевые фракции.

Процесс коксования представляет собой расщепление всех компонентов, входящих в состав сырья. При этом образуются жидкие дистиллятные фракции и углеводороные газы.

Промышленный процесс получения нефтяного кокса осуществляется с использованием установок трех типов. Помимо периодического коксования в специальных кубах и замедленного процесса в камерах оно может происходить непрерывно в псевдоожиженной массе коксаносителя. Рассмотрим один из них, применяющийся наиболее часто, подробнее.

Замедленное коксование

Данный процесс называют еще и полунепрерывным. Этот способ получения нефтяного кокса наиболее распространен в мировой практике. Он подразумевает такой технологический процесс, при котором предварительно нагретое до 350-380 градусов сырье непрерывно подается на особые тарелки, находящиеся в ректификационных колоннах. Подобные установки работают при атмосферном давлении. Сырье для производства нефтяного кокса стекает по тарелкам и контактирует с парами, поднимающимися из реакционных аппаратов. Результатом такого массо- и теплообмена становится конденсат. Именно он и образует вместе с исходным продуктом вторичное сырье, подлежащее дальнейшему нагреванию до 490-510 градусов в трубчатых печах.

Далее смесь поступает в коксовые камеры. Это вертикально расположенные полые цилиндры, высота которых достигает 22-30 метров, а диаметр – 3-7 м.

Реакционная масса поступает в коксовые камеры непрерывно. Причем этот процесс длится на протяжении от 24 до 36 часов. За это время масса, благодаря удерживаемой ею теплоте, постепенно коксуется. Когда камера заполняется конечным продуктом на 70-90 процентов, его удаляют с помощью обычной струи воды, находящейся под высоким давлением.

Далее кокс помещают в дробилку, в которой измельчается на кусочки, размер которых не превышает 150 мм. После этого продукт с помощью элеватора подается на грохот, сортирующий его на фракции разных размеров. Камера, в которой был получен кокс, подлежит прогреву водяным паром и теми парами, которые подаются из работающих аппаратов. Далее емкость вновь заполняется сырьем.

После прохождения технологического процесса возникают летучие продукты. Это парожидкостная смесь, которая непрерывно выводится из действующих камер и последовательно разделяется на газы вначале в ректификационной колонне, а затем — в водоотделителе и газовом блоке, а также в отпарной колонне.

Источник

ideiforbiz.ru