Кокс и коксование
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.