Коксующийся уголь для производства кокса

Коксующийся уголь классифицируется как битуминозный уголь с фиксированным содержанием углерода, высокой калорийностью и низким содержанием влаги.

Присутствие коксующегося угля в природе меньше, чем у энергетического. Рынок коксующегося угля необходим для производителей чугуна или стали. В сталеплавильном производстве важны две составляющие: железная руда и коксование. Кокс используется для превращения железной руды в расплавленный чугун.

Битуминозные угли с содержанием углерода около 75-90 мас.% используются в процессе коксования для производства металлургического кокса. Когда уголь находится при нагревании до 1000-1200 °C при медленной скорости нагрева (2-5°C мин) в отсутствие воздуха удаляется влага.  При этом органический состав угля не разлагается, летучие компоненты необходимые для конечных химических продуктов остаются. Содержание летучих веществ — параметр, отражающий степень углефикации угля (сортность угля), является одной из наиболее важных характеристик угля.

Но коксующийся уголь не всегда определяется категорией. Его способность последовательно размягчаться, набухать и затвердевать, то есть его пластичность при термической обработке, является необходимым условием для получения кокса (графитизируемого углеродного материала) и для контроля его структуры и свойств.

Процесс коксования

Процесс коксования обычно делится на три температурные стадии, которые связаны с пластичностью угля:

• стадия предварительной пластификации при температуре до 350 ºC, на которой летучие вещества (например, углекислый газ и легкие углеводороды) образуются в основном за счет испарения, а не за счет разрушения макромолекулярной структуры угля;
•  стадия пластификации при температуре 350 — 500 ºC (которая зависит от сорта), где происходит интенсивное первичное разрушение структуры угля, приводящее к образованию конденсирующихся и неконденсирующихся частиц и промежуточного твердого углеродного материала, называемого полукоксом;
• стадия постпластификации вплоть до достижения конечной температуры коксования, которая включает в себя  постепенная структурная перестройка полукокса в высокотемпературный кокс путем выделения преимущественно водорода с последующим упрочнением графитизируемой структуры.

В настоящее время, чтобы преодолеть нехватку качественных коксующихся углей, коксохимическая промышленность работает со смесями углей, которые соответствуют химическим и физическим характеристикам, необходимым для использования кокса в доменной печи. Таким образом, состав угольных смесей основан на использовании нескольких видов коксующихся углей с различным содержанием летучих веществ, химических примесей (например, серы, золы и т.д.). Применение угля огромно.

Применение кокса

Кокс находит свое основное применение в черной металлургии, поскольку он обладает структурой (например, анизотропной, пористой и т.д.) и рядом свойств (например, высокой механической прочностью, относительно низкой химической активностью и хорошей теплопроводностью), которые удовлетворяют основным требованиям для использования в производстве чугуна:

• в качестве восстановителя оксидов железа при получении чугуна в доменной печи;
• в качестве проницаемого материала, позволяющего легко отводить чугун на дно нижней горизонтальной поверхности в печи и поднимать газы наверх;
• в качестве источника тепла.

Цель нынешней стратегии промышленного коксования — получить максимально возможный выход кокса такого качества, чтобы гарантировать оптимальную производительность кокса в доменной печи. Качество кокса в основном определяется характеристиками угольной смеси, хотя конструкция коксовой печи и условия коксования (температура дымохода, время коксования, насыпная плотность и т.д.), использование добавок на основе углерода, а также подготовка и предварительная обработка угольной смеси также играют важную роль.

Выход кокса обычно находится в диапазоне ~75-80 %.

С химической точки зрения стадия пластификации угля в коксовой печи представляет собой сложный процесс, который включает в себя множество химических реакций, протекающих одновременно (например, деалкилирование, термический крекинг, дегидрирование, конденсация, перенос водорода, изомеризация и т.д.).

Побочные продукты коксования угля

Побочные продукты процесса коксования угля, включая коксовый газ и смолу, составляют около 20-25 мас.% от исходного угля.

• Коксовый газ (в основном, сжиженный газ), на долю которого приходится ~15-20 мас.% процесса коксования. Газ хранится в газовых контейнерах и используется в качестве топлива для обогрева коксовых печей и других помещений в интегрированной стальной установке. В основном он состоит из H₂ (получаемого в результате конденсации ароматических веществ) и CH₄ (в результате реакций деалкилирования) и, в меньшей степени, из CO, CO2 и легкие углеводороды.
•  Гудрон, еще один побочный продукт коксования (~3-5 мас.%), имеет низкую удельную стоимость на рынке. Поэтому он привлекает меньше внимания. Однако, поскольку гудрон состоит из сотен полициклических ароматических углеводородов, он является сырьем, имеющим большое значение для углехимической промышленности. Фактически, гудрон является основным источником пека и предлагается для широкого спектра химических веществ и углеродных материалов, которые находят соответствующее промышленное применение.