Высокотемпературное коксование углей в мире, имеет главенствующее значение в области переработки твёрдых горючих ископаемых. И это естественно связано с тем, что кокс, как неотъемлемая часть, используется в производстве стали и чугуна, из которых соответственно делают все металлические детали. А это является основой всего, что человек создаёт, для того чтобы жить. Отсюда вытекает назначение этого процесса: получить высококачественный кокс, а также наряду с ним, другие углеводороды (фенолы, бензол, смолу, коксовый газ) из твёрдых горючих ископаемых, с помощью высоких температур (до 11000С) и без доступа воздуха в коксовых печах или коксовых батареях.

Для проведения такого сложного процесса, нужно четко знать и соблюдать его параметры. Поддерживать высокую температуру в камере коксования, за счёт сжигания отопительных (коксовых или дымовых) газов. А так же учитывать определенную последовательность выгрузки готового кокса, в том плане, чтобы одновременно не разгружались две соседние камеры коксования, для поддержания более или менее стабильной температуры отопительных простенков и предотвращения их разрушения. Из параметров, можно ещё указать на своевременную выгрузку готового кокса и загрузку сырья (шихты), которая тоже должна отвечать определённым требованиям. Шихта - это оптимальная смесь из коксующихся углей, которая содержит в себе определённое соотношение витренита и фюзенита (компоненты, отвечающие за спекаемость). И для приготовления шихты необходимо создать (усреднить) смесь из углей разной спекаемости. Этот процесс проводят на местах хранения углей. С помощью грейфера набирают определённую марку угля и далее краном, тонко и равномерно рассыпают по полю из другой марки угля. Операцию повторяют многократно, тем самым получая многослойный «пирог» или штабель - это сумма тонких слоёв из разных марок углей. При взятии угля из штабеля грейфер погружается на большую глубину и таким образом осуществляется хорошее усреднение.

Практически, сейчас приходится решать проблему создания кокса, заданного качества, из имеющегося на складе сырья. И это решение затрудняется вследствие ограниченного количества хорошо спекающихся углей.

Технологическое оснащение процесса
Данный высокотемпературный процесс осуществляют на современных коксохимических заводах, в коксовых печах, которые состоят из камер коксования обогревательных простенков. Если они стоят на одном фундаменте, и работают в одном режиме, то всё вместе это называют коксовой батареей.

Пример такой батареи приведён на рисунке 1:

Рис. 1

Из рисунка видно, что батарея состоит из камер коксования и отопительной системы. У камеры имеется по три загрузочных люка, для загрузки шихты, и по два газоотводящих, для отвода летучих продуктов (в печах иностранного производства возможны вариации). Сторону батареи, вдоль которой движется коксовыталкивающая машина, называют машинной стороной, а противоположную, на которую выдаётся кокс - коксовая сторона. Ширина всей камеры не одинакова: она увеличивается от машинной стороны к коксовой соответственно. Эта особенность сделана для того, чтобы облегчить выгрузку (выталкивание) коксового пирога из камеры. В зависимости от конструкций печей, размеры камер могут колебаться по длине и ширине. В длину от 12 до 17(м), и ширину от 407 до 480(мм) соответственно.

Отметим, что заполнение коксовой камеры проводят не доверху, а оставляют около 300мм под сводом. Это пространство нужно для выхода парогазовых продуктов. Кроме того, при коксовании происходит усадка шихты, около 5 - 15%. Тогда возможно, если обогрев простенка будет выше высоты угольной загрузки, то подсводовое пространство будет перегреваться, что ухудшит прочность кладки и свойства кокса. Высоту и длину коксовой камеры имеет смысл увеличивать, из расчета на увеличение угольной загрузки и соответственно производительности. Однако высота ограничена равномерностью прогрева шихты и физической прочности кладки печи. А длина печи из-за возможности смятия коксового пирога и усложнения конструкции выталкивателя.

Обогрев печи. Отопительная система состоит из отопительных простенков, газораспределительной зоны и регенераторов. Функция отопительной системы самая главная - это, подвести отопительный газ в зону горения, передать тепло загрузке и отвести продукты горения. Схема приведена на рисунке 2:

Рис. 2

В этой системе (ПВР), вертикалы работают попарно и переменно. Простенок делится на пары вертикалов, из которых один работает на нисходящем потоке газов, а другой - на восходящем. Примерно через каждые 20 минут потоки меняются на противоположные. Это сделано для того, чтобы равномерно прогревать простенок, который сделан из огнеупорного материала (кирпича). Сторона простенка, соприкасающаяся с угольной загрузкой, называется рабочей, а противоположная сторона - огневой. В отопительном простенке, за счёт горения, образуется факел, который может быть короче или длиннее, в зависимости от интенсивности подачи газа и использования рециркуляционного окна. С помощью этого окна происходит подсос отработанных газов в факел горения, уменьшая концентрацию кислорода и тем самым вытягивая пламя. В отопительный простенок одновременно поступают газ и воздух, из газораспределительной зоны. В этой зоне расположены распределительные каналы коксового или другого богатого газа - корнюрная зона(8). И каналы, по которым подаётся обеднённый газ (доменный или генераторный) - косые ходы(6). Ниже корнюров расположены регенераторы (а-г), представляющие собой узкие камеры, в которых в определённом порядке уложен кирпич, так чтобы увеличить поверхность теплообмена. Они предназначены для использования тепла, выходящего вместе с дымовыми газами из отопительных простенков и нагревания обеднённого газа с воздухом. Под регенераторами, прямо на плите, расположены подовые каналы (3). По ним движется воздух, который через колосниковую решётку (4) поступает прямо в регенератор. Основными требованиями к этой конструкции являются: создание герметичности между стеной, разделяющей газовые потоки на восходящий (топочные газы) и нисходящий (дымовые) потоки, и зону с коксующейся загрузкой.

Кроме этой системы обогрева, существуют ещё несколько видов, например, с парными вертикалами и рециркуляцией (системы ПК-2К и ПК-2КР) отработанных газов через перекидной канал. Печи с групповым обогревом: собирают сгоревший газ в горизонтальный сборный канал и отправляя его в группу противоположных вертикалов. Так же существуют печи с нижним подводом тепла. Главное отличие заключается в том, что богатый газ через специальные металлические патрубки, заложенные при строительстве, проходит в газоподводящие каналы - дюзы, находящиеся в стенках регенераторов, а из них через горелки с отверстием выходит в вертикалы. Это позволяет точно дозировать подвод тепла не только к каждому отопительному простенку, но и к каждому вертикалу. Есть печи с иным подводом тепла, а именно, с внешним подогревом, предназначенные для коксования крупнокускового слабоспекающегося или неспекающегося угля или получения металлургического кокса из сланцев. Отопительный простенок здесь может быть разделён перегородками, как на вертикалы, так и на горизонталы. Остальные системы обогрева не значительно отличаются от уже изложенных.

б) Для осуществления бесперебойного процесса коксования нужно специальное оборудование, обеспечивающее работу коксовой батареи. Она обслуживается коксовыталкивателем, двересьёмной машиной с коксонаправляющей и загрузочным вагоном. Кроме того имеется тушильный вагон с тягачом, для транспортировки кокса на охлаждение. Назначение этого оборудования заключается в обеспечении выполнения операций по загрузке шихты, выдаче и приёмке коксового пирога и транспортирование его в тушильное устройство. На схеме видно оборудование, которое используется для обслуживания печи (рис. 3):

Рис. 3

Углезагрузочная машина (5) передвигается по верху батареи на рельсах и используется для загрузки шихты в печь, при опорожнении её от коксового пирога. При этом очищает стояки от нагара и подаёт инжекцией воду для устранения пыли. Схема на рисунке 4:

Рис. 4

Коксовыталкиватель (17) предназначен для извлечения (выталкивания), с помощью выталкивающей штанги, готового коксового пирога из печи в коксовозный вагон (13), с тягачом. Коксовыталкиватель также перемещается по рельсам, проложенным вдоль машинной стороны батареи. Он снимает дверь коксовой камеры, выдавливает кокс, потом с помощью специального устройства очищает дверь от смолы и графита, образовавшегося при коксовании, и устанавливает дверь обратно. В период загрузки коксовыталкиватель специальным устройством - планирной штангой (3), разравнивает шихту в камере коксования. Схема коксовыталкивателя приведена на рисунке 5:

Рис. 5

Двересъёмная машина с коксонаправляющей, предназначены для обслуживания коксовой стороны. Они расположены на отдельных тележках и связанных между собой шарнирной сцепкой. Двересъёмная машина является ведущей. Сняв дверь, корзина коксонаправляющей вставляется в проём камеры коксования. После выдачи кокса корзина возвращается назад и двересъёмная машина с коксонаправляющей получают возможность работать дальше или везти кокс на тушение.

Для сохранности коксовых печей и поддержания её в рабочем состоянии применяется так же специальное оборудование, имеющее название - анкераж. В состав оборудования анкеража входят анкерные колоны (1), брони (2) и рамы печных камер, пружины (6), анкерные болты (5,7), броневые листы (4), анкерные стяжки. Основная задача анкеража - сохранение и предотвращение деформации кладки в процессе работы батареи. Схема анкеража соответственно разобрана на рисунке 6:

Рис. 6

При разогреве батареи большое значение имеет продольное армирование, осуществляемое регулированием нагрузок продольными анкерными стяжками (5,7) и пружинами, расположенными в верхней части батареи.

Всё перечисленное оборудование является основным, поэтому возможны модификации и дополнения. Поэтому проводить обзор бессмысленно. Перейдём к следующему не маловажному вопросу, связанному с продуктами коксования.

Характеристика продуктов высокотемпературного коксования
Одновременно с коксом в процессе образуется ряд жидких и газообразных продуктов: фенолы, бензолы, смолы, коксовый газ, а так же не значительное количество NH3 и H2S, имеющие большое значение в химической промышленности. Выход которых на массу угля составляет: 13-15% (330-380 м3/г массовых) - газы, 3-5% - смола, сырой бензол или газовый бензин - 0.8-1.1%. Выделившийся коксовый газ является высококалорийным, благодаря значительному содержанию метана CH4 (25-28%) и Н2 (60-85%). В смоле присутствуют от 1 до 3% фенолов, которые представлены в основном простейшими производными фенола, крезолами и не значительным содержанием ди- и три - метил-фенолами. Кроме этого в смоле содержится 7-12% нафталина и 3-4% органических оснований, производных пиридина. Сырой бензол состоит из ароматики - 80-88%, олефинов (10-15%), насыщенных углеводородов (2-5%), а так же сернистых соединений (сероуглерода, тиофена и его производных). А выход летучих продуктов и их состав зависит от качества угольного сырья и режимов коксования.

Для характеристики главного продукта - кокса, определяют его химические, физико-химические и физико-механические свойства. К физическим свойствам относятся: плотность, пористость, микроструктура, прочность, электропроводность и теплопроводность. Истинная плотность кокса зависит от шихты и конечной температуры нагревания. Чем больше конечная температура шихты, тем больше истинная плотность кокса. Электропроводность зависит от сырья, скорости и конечной температуры. Чем ниже степень метаморфизма, выше скорость и меньше температура коксования, тем больше электропроводность кокса. Теплоёмкость увеличивается при повышении конечной температуры и уменьшении зольности. Теплопроводность кокса также зависит от зольности и от его структуры. Химические свойства кокса - это влажность, выход летучих, зольность, содержание серы, фосфора, углерода, водорода, кислорода, азота и др. элементов, а так же теплота его сгорания. Влажность зависит от методов охлаждения. Содержание золы напрямую зависит от зольности исходного угля. Сера, содержащаяся в коксе, отрицательно влияет на процессы, в которых он участвует. Выход летучих зависит от конечной температуры и колеблется от 0.7 до 3%. Теплота сгорания зависит от его элементного состава и зольности. К физико-химическим свойствам относят реакционную способность. Определяют её в основном с помощью реакции восстановления СО2:

С + СО2 = 2СО -+ 160.1 кДж/моль

Эта способность зависит от метаморфизма угля, скорости и конечной температуры коксования. Чем ниже метаморфизм, тем выше реакционная способность. А увеличение температуры приводит к снижению этой способности. Под физико-механическими свойствами представляют гранулометрический состав (равномерность всех зёрен) и прочность кокса. Также важным показателем качества кокса является его трещиноватость. Различают общую, продольную и поперечную трещиноватость, которая оценивается по числу и длине трещин куска. Прочность кокса, одно из наиболее важных показателей качества, оно имеет большое значение для определения его пригодности. В настоящее время одного метода, который бы позволял оценить качество по одному параметру, поэтому пользуются отдельными параметрами характеристиками кокса. В итоге нужно получить кокс с хорошей прочностью, минимальной влажностью, оптимальной реакционноспособностью и теплопроводностью (учитывая все остальные параметры), но это «палка на двух концах», т.к. не достичь одновременно всех оптимальных показателей.

Заключение
В заключение, можно описать основной режим работы механизмов коксовой батареи для получения кондиционной продукции. Изначально, необходимо как можно лучше размельчить уголь, для шихты. После, перед загрузкой шихты в печь, желательно её подогреть, для уменьшения времени процесса коксования. Обогрев крайних печей нужно вести интенсивней, для избежание падения температуры и укрупнения кусков кокса. Выгрузку готового продукта, тоже ведут по определённому принципу (графику). А именно, кокс выгружают из печей в таком порядке, чтобы одновременно не разгружались две соседние печи, были на середине процесса. Это делается для поддержания температуры в печи и сохранения прочности кладки. В общем виде серийность выдачи можно записать в виде m-n, где m- число печей, расположенных между печами, выдающими кокс и n-интервал между печами, выдающими кокс. Наиболее распространённые серийности 9-2, 2-1 и 5-2. Расчёты показывают, что разница во времени между серединой коксования и фактическим временем, прошедшем от начала коксования при серийности 9-2 составляет 2-2.5ч, 2-1 - около 1.5ч, и для 5-2 до 3.2ч. Отсюда следует, что оптимальный режим - 2-1, которую и применяют на новых батареях. Для соблюдения оптимальной серийности и постоянства коксования во всех печах строят поминутный график выдачи, который делают либо непрерывным, либо циклическим. Достоинством циклического графика является, что время оборота печи разбивается на рабочую и ремонтную части. Выдача, после остановки, всегда должна начинаться с той же печи, с которой начали, и в рабочую часть цикла должен быть извлечён весь кокс из всех печей, независимо от серийности. При этом режиме также можно планировать время остановок работы коксовых машин, проводить ремонт и диагностику их поломок. Работая по этому графику, не нарушается период коксования ни в одной печи.

Список литературы
1. Справочник по химии и технологии твёрдых горючих ископаемых / под ред. А.Н. Чистякова. СПб: изд. комп. «Синтез». 1996.

2. Химическая технология твёрдых горючих ископаемых / под ред. Г.Н. Макарова и Г.Д. Харламповича. М: Химия. 1986.

3. Курс лекций по спец. курсу. Д.А. Розенталь.