Кокс и коксование

КОКС И КОКСОВАНИЕ

Кокс-серое, чуть серебристое, пористое и очень твердое вещество,

более чем на 96% состоящее из углерода и получаемое при нагревании

каменного угля или нефтяных пеков без доступа воздуха при 950-1050°С.

Процесс получения- кокса в результате переработки природных топлив

называется коксованием.

[pic]

Схема коксования: 1. - коксовая батарея; 2. - сборный канал продуктов

горения; 3. - газопровод; 4. - отделитель конденсата; 5. - газовый

холодильник; 6. - электрофильтр; 7. - газодувка; 8. - трубопровод для

отвода конденсата; 9. – отстойник; 10. – хранилище смолы; 11. – хранилище

аммиачной воды; 12. – аммиачная колонна; 13. – сатуратор; 14. – бензольный

скруббер; 15. – бензольная колонка.

Кокс применяют для изготовления электродов, для фильтрования

жидкостей и, самое главное, для восстановления железа из железных руд и

концентратов в доменном процессе выплавки чугуна. В доменной печи кокс

сгорает и образуется оксид углерода (IV):

С + 02 = СО2 + Q,

который взаимодействует с раскаленным коксом с образованием оксида

углерода (II):

С + СO2 = 2CO - Q

Оксид углерода (II) и является восстановителем железа, причем сначала

из оксида железа (III) образуется оксид железа (II, III), затем оксид

железа (II) и, наконец, железо:

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + Q

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 – Q

FeO + CO = Fe + CO2 + Q

В результате доменного процесса получают жидкий чугун-сплав железа с

примесями, содержащимися в железной руде и каменноугольном коксе, -

углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и серой .

Коксование возникло в XVIII в., когда истребление лесов для получения

древесного угля, использовавшегося при выплавке железа, стало угрожающим и

потребовалось заменить этот уголь другим топливом. В 1735 г. в Англии была

проведена первая доменная плавка на коксе.

В наше время 10% добываемого в мире каменного угля превращают в кокс.

Коксование проводят в камерах коксовой печи, обогреваемых снаружи горящим

газом. При повышении температуры в каменном угле происходят разнообразные

процессы. При 2500С из него испаряется влага, выделяются СО и СО2; при

3500С уголь размягчается, переходит в тестообразное, пластическое

состояние, из него выделяются углеводороды-газообразные и низкокипящие, а

также азотистые и фосфористые соединения. Тяжелые уг-листые остатки

спекаются при 5000С, давая полукокс. А при 7000С и выше полукокс теряет

остаточные летучие вещества, главным образом водород, и превращается в

кокс.

Все летучие продукты поступают в газосборник, а оставшийся

раскаленный кокс выталкивают в так называемый тушильный вагон, где его

охлаждают (тушат) водой или инертным газом. Летучие вещества при

конденсации образуют аммиачную воду и смолу. Часть неконденсирующегося газа

используют для нагрева угля в камерах печи; остаток газа, аммиачная вода и

смола идут на переработку. Из них получают разнообразные неорганические и

органические (главным образом ароматические) соединения. Из 1 т каменного

угля получают примерно 800 кг кокса, 150 кг газа и 50 кг прочих продуктов.

Коксохимическое производство:

Важным источником промышленного получения ароматических углеводородов

наряду с переработкой нефти является коксование каменного угля.

Процесс коксования можно провести в лаборатории. Если каменный уголь

сильно нагревать в железной трубке без доступа воздуха, то через некоторое

время можно будет наблюдать выделение газов и паров. В U-образ-ой трубке

конденсируется смола, имеющая неприятный запах, и над ней вода, содержащая

аммиак. Проходящие далее газы собираются в сосуде над водой. В железной

трубке после опыта остается кокс. Собранный газ хорошо горит, его называют

коксовым газом.

Таким образом, при нагревании каменного угля без доступа воздуха

образуются четыре основных продукта: кокс, каменноугольная смола, аммиачная

вода, коксовый газ.

Коксохимическое производство в основе своей имеет много общего с

лабораторным опытом коксования угля, оно как бы воспроизводит его в крупных

масштабах.

Промышленная коксовая печь состоит из длинной узкой камеры, в которую

сверху через отверстия загружают каменный уголь, и отопительных простенков,

в каналах которых сжигают газообразное топливо (коксовый или доменный газ).

Несколько десятков таких камер образуют батарею коксовых печей. Для

достижения высокой температуры горения газ и воздух предварительно

нагревают в регенераторах, расположенных под камерами, подобно тому как это

осуществляется в мартеновском способе производства стали.

При нагревании угля без доступа воздуха до 900-1050 оС приводит к его

термическому разложению с образованием летучих продуктов и твердого остатка-

кокса.

Процесс коксования длится около 14 часов. После того как он

закончится, образовавшийся кокс-«коксовый пирог»-выгружают из камеры в

вагон и затем гасят водой или инертным газом; в камеру загружают новую

партию угля, и процесс коксования начинается снова. Коксование угля-

периодический процесс. Основные продукты: кокс-96-98% углерода; коксовый

газ-60% водорода, 25% метана, 7% оксида углерода (II) и др. Побочные

продукты: каменноугольная смола (бензол, толуол), аммиак (из коксового

газа)и др.

После остывания кокс сортируют и направляют на металлургические

заводы для доменных печей.

Летучие продукты выводятся через отверстия вверху камер и поступают в

общий газосборник, где из них, как в нашем опыте, конденсируется смола и

аммиачная вода.

Из неконденсирующегося газа извлекают аммиак и легкие ароматические

углероды (главным образом бензол). С целью извлечения аммиака газ

пропускают через раствор серной кислоты; образующийся сульфат аммония

используется в качестве азотного удобрения.

Ароматические углеводы получаются путем поглощения их растворителем и

последующей отгонки из образующегося раствора.

Из каменноугольной смолы путем фракционирования получают гомологи

бензола, фенол (карболовую кислоту), нафталин и др.

Коксовый газ после отчистки применяется в качестве топлива в

промышленных печах, так как содержит много горючих веществ. Он используется

и как химическое сырье. Например, из коксового газа выделяют водород для

различных синтезов.

Проблемы использования углеводородного сырья:

До недавнего времени в топливном балансе страны огромная доля

приходилась на нефть. В связи с развитием энергоснабжения осуществляется

перевод энергетики с использованием нефти и нефтепродуктов в качестве

топлива на широкое применение в этих целях природного газа, угля, на

использование атомной энергии. Это значит, что тяжелые остатки переработки

нефти-мазуты будут более полно перерабатываться в светлые нефтепродукты,

необходимые для современного органического синтеза. Химической науке

предстоит задача изыскать более эффективные пути переработки нефти,

природного и попутных газов, угля, сланцев, а также усовершенствовать

существующие с целью более полного и комплексного использования природного

углеводородного сырья.

Получение искусственного жидкого топлива не является новой проблемой.

Установка гидрирования угля была введена в Германии еще в 1923 году, а в

1943 этим путем в Германии было получено 2 миллиона тонн бензина и 800000

тонн дизельного топлива. Процесс получения искусственного жидкого топлива

был весьма дорогим и проходил при давлении 70 Мпа и температуре 180 оС. В

послевоенные годы гидрирование угля практически потеряло промышленное

значение.

В настоящее время учеными разрабатываются другие экономически более

выгодные методы гидрирования угля с использованием эффективных

катализаторов, что даст возможность снизить температуру и давление.

Другим перспективным путем получения синтетического жидкого топлива

является его синтез из оксида углерода (II) и водорода.