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.

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.