Что такое кокс в химии
Кокс: виды и применение
С развитием технического прогресса возможности классических видов топлива перестали отвечать требованиям мануфактур. А поиски новых решений привели к тому, что уже в середине 18 века промышленники научились перерабатывать породы угля с высоким содержанием углерода и изготавливать качественно новый продукт повышенной прочности – кокс.
Кокс представляет собой твердый вид топлива, получаемый при нагреве природного горючего до высоких температур. Современное оборудование позволяет производить несколько видов кокса, используя разные исходные материалы и режимы горения.
Виды кокса
Сегодня необходимые для образования кокса температуры без труда нагнетаются в специализированных печах. Это дает возможность изготавливать кокс как из угля, так и из нефтепродуктов. В зависимости от состава и качества базового сырья, а также от техники переработки, можно получить несколько разновидностей продукта:
В целом каменноугольный вид можно охарактеризовать, как твердое, пористое вещество серого цвета, получаемое в процессе сухой перегонки каменного угля. Однако в зависимости от разновидности и назначения, характеристики будут меняться.
По качеству получаемого сырья доменный кокс считается лучшим вариантом из всех разновидностей каменноугольного. Содержание серы в этом продукте составляет 2 %. Доменный или кузнечный кокс правильной консистенции имеет куски размером 25-80 мм. Допускается присутствие примеси из гранул меньшей фракции, но их количественное соотношение не должно превышать 3% от общей массы вещества.
Литейный кокс отличается от доменного преобладанием более крупных кусков: от 60 мм. А также меньшим содержанием серы: до 1 %.
Бытовой кокс наименее прочный из всех разновидностей, что не мешает ему пользоваться постоянным спросом. Больше чем бытовой, востребован мелкий кокс или орешек. В промышленных масштабах используют кокс с фракцией 10-25 мм.
Особенности производства
Производство нефтяного кокса российскими промышленниками стало осваиваться совсем недавно. Но перспективы этой отрасли пророчат большие. Нефтяной кокс изготавливают из вторсырья. Что делает его производство более выгодным с экономической точки зрения и позволяет рационально использовать природные ресурсы.
В зависимости от используемого сырья, этот вид будет различаться по содержанию серы в готовом продукте: малосернистые (содержат до 1% серы), сернистые и высокосернистые (свыше 2%).
Самой популярной разновидностью считается каменноугольный кокс. Ежегодно в мире производится порядка 400 миллионов тонн этого вещества (из общего количества производимого кокса 600 миллионов тонн).
Качество каменноугольного кокса зависит от состава пласта, из которого был добыт уголь. Например, наличие газового угля приведет к получению кусков более мелкого размера, снизит прочность кокса и повысит пористость.
Повысить прочность можно увеличив температуру плавления. А медленный разогрев и длительное время прокаливания коксуемой смеси позволяют получить более крупную фракцию.
Где используется
Главным заказчиком кокса на сегодняшний день остается металлургическая промышленность. На нужды этой отрасли уходит порядка 80 % всего вырабатываемого кокса. Литейная промышленность забирает на себя еще 10 % от общей массы производимого продукта. Около 6 % потребляет химическая отрасль. Оставшиеся проценты распределяются на бытовые, строительные и другие нужды.
Черная металлургия работает с доменным и литейным коксом. Но возможно использование и более мелких фракций. В цветной металлургии преобладает использование видов с более мелкими кусками: мелочь до 10 мм, орешек.
В строительстве пользуется спросом нефтяной, электродный пековый, мелочь, орешек. А также литейный в качестве бездымного топлива, для сушки помещений.
Используют кокс и для очистки воды. Литейная разновидность мелкой фракции позволяет очистить воду от маслянистых примесей.
В более обобщенном виде распределение кокса по областям выглядит так:
Применение
Нефтяной и электродный пековый применяются при производстве сварочных электродов, изготовлении алюминия, огнеупорных материалов и др. В тяжелой промышленности, и в частности машиностроении применяют литейный кокс, отличающийся малым выделением летучего вещества и отсутствием электропроводимости. С его помощью производят стальные сплавы. Кокс мелкой фракции незаменим для изготовления ферросплавов.
Доменный кокс используют при производстве чугуна, с его помощью восстанавливают железную руду и разрыхляют шихтовые материалы.
Химическая промышленность активно применяет кокс при изготовлении таких элементов, как фосфор, кремний, сернистый натрий и другие. Пищевая промышленность обращается к использованию кокса для выработки сахарного песка.
Кокс востребован во многих отраслях промышленности, каждая из которых специализируется на применении продукта определенного «сорта», обладающего особенными техническими и химическими характеристиками. Однако определенная универсальность при классификации кокса все же присутствует. На любом производстве предпочитают работать с сырьем высокой прочности, малой зольности, минимальным содержанием серы и мелких фракций.
Свойства
Кокс представляет собой твердый материал с пористой структурой. Цвет может варьировать от серого до черного.
Основными показателями качества кокса считаются:
Любая разновидность кокса обладает следующими свойствами:
Свойства во многом зависят от соблюдения технологии коксования и состава химических элементов в исходном сырье.
В целом, изготовление кокса довольно трудоемкий процесс, требующий специального оборудования, специализированных знаний и занимающий довольно много времени. Но, в итоге, затраченные ресурсы окупает широкий спектр применения, экологическая, экономическая и рациональная составляющая использования это продукта.
Производство кокса: технология и особенности
Что такое кокс? Это стратегически важный продукт, полученный путем термического бескислородного разложения. Подразделяется он на многие виды. Так, выделяют нефтяной и пековый, торфяной и каменноугольный кокс. Но основным из них является последний вид. Именно каменноугольный кокс выступает базовым компонентом доменного производства.
Важный продукт
Что означает слово «кокс»? Морфология данного понятия говорит нам о том, что это горючий твердый остаток, образующийся при термическом безкислородном нагреве некоторых органических веществ, в числе которых уголь (бурый или каменный), нефть, а также торф. Само слово имеет английские корни. Coke означает не что иное, как продукт, полученный путем термического разложения.
Шихта
Для поддержания горения доменных печей требуется большое количество каменноугольного кокса. Данный продукт представляет собой пористую, но в то же время твердую спекшуюся массу. Она получается в результате удаления летучих веществ из каменного угля.
Кокса химическое производство основано на процессе гидролиза. Помимо этого, возможен и сухой перегон каменного угля. Но в любом случае производство кокса связано с нагреванием исходного продукта без малейшего доступа воздуха. Целью гидролиза является отделение углерода от всех остальных веществ, входящих в состав угля. Что представляет собой сырье для производства кокса? Это каменный уголь различных сортов, в том числе жирный и коксовый, газовый и тощий. Называют такое сырье шихтой. Основу данного продукта составляет самый дорогой сорт – коксующийся уголь. На металлургические заводы России шихту доставляют из месторождений Кузбасса, а также Печоры. Богатыми залежами коксующихся углей может гордиться и Якутия. Здесь их добывают на территории Нерюнгри, до которой специально была проведена ветка железной дороги.
В связи со своими масштабами производство кокса требует большого количества сырья. Его доставляют к производственным цехам в насыпных вагонах. Здесь шихту перегружают в огромные башни, в которых специальные механизмы, будто насосы, закачивают поступивший уголь в коксовые колонки. Зимой шихта поступает, как правило, в замерзшем состоянии. И поэтому перед выгрузкой ее отогревают прямо в вагонах, загоняя их в специальные огромные ангары.
Подготовка шихты
Непосредственно само производство кокса начинается с сортировки шихты. Весь уголь, пришедший на завод, разделяется по своему свойству и составу на нужные группы. После этого шихта дробится и перемешивается. Далее следует ее дозировка. Она производится на автоматических весах. После такой подготовки шихта обогащается с использованием обеспыливания, грохочения, мытья, флотации и прочих способов. Все это позволяет устранить из сырья посторонние примеси. После шихта подлежит сушке и поступает на заключительный этап дробления, в результате которого получаются зерна, радиус которых не превышает 3 мм.
Подготовленное таким образом сырье готово для того, чтобы начать производство доменного кокса. Оно перегружается в смесительные агрегаты, а затем поступает в бункеры накопителя, находящиеся в угольной башне.
Коксовые батареи
Готовое сырье, которое необходимо для того, чтобы осуществить производство кокса, высыпается из угольной шахты в бункер загрузочного вагона. После этого оно доставляется в коксовые батареи. Это система, состоящая из нескольких камер, в которых и происходит процесс производства конечного продукта.
Коксовая камера представляет собой сооружение, стены которого выложены огнеупорным кирпичом. Его длина – 13-15 м, ширина – 0,4-0,5 м, высота – 5-5,5 м. Подобные габариты камеры позволяют осуществить процесс производства кокса достаточно быстрыми темпами.
В сводах подобных камер имеется по три-четыре люка с плотно закрывающимися крышками. Они предназначены для загрузки сырья. В торцевых стенах камер также имеются герметичные металлические двери. В процессе того, как образуется кокс, производство требует отвода появляющихся при этом газообразных продуктов. Это также предусмотрено в конструкции камер. В своей верхней части они имеют специальные стояки, по которым летучие вещества попадают в газосборник.
В то время, когда осуществляется производство кокса, технология процесса требует значительного обогрева камер. Для этого между ними конструируют специальные простенки. Они представляют собой целую систему отопительных каналов, по которым перемещаются горячие газы. В результате происходит обогрев стенок камер. В нижней части сооружений для производства кокса размещены регенераторы. Они необходимы для подогрева камер газами, подаваемыми через газопроводы, а также теми, которые отходят из воздуха.
Прогрев шихты
Над коксовыми камерами располагается рельсовый путь. По нему перемещается загрузочный вагон. С него шихта через люки попадает в камеру. Это происходит благодаря расположенным на вагоне специальным механизмам, которые могут откручивать, а затем и закрывать герметичные крышки.
По рельсовому пути, расположенному вдоль одной из сторон камеры, передвигается специальная коксовыталкивательная машина. Именно она подходит к боковым дверям и вскрывает их. Далее это устройство выталкивает полученный кокс. С другой стороны к камере подходит тушильный вагон. Он принимает раскаленный продукт и транспортирует его в зону, находящуюся под башней для тушения, выгружая затем на рампу.
Образование конечного продукта
Все производства металлургического кокса строго соблюдают технологические процессы, которые требуют не допустить попадания воздуха в камеру. Как это происходит? Процесс получения кокса начинается сразу после того как загрузочный вагон поставляет отмеренную дозу шихты в камеру. При этом происходит закрытие ее люков и включение подогревающих устройств.
Что происходит на начальном этапе, когда осуществляется производство кокса? Технология процесса на первой своей стадии предусматривает выделение из готового сырья газов и воды. После этого происходит плавление и оседание шихты. Дальнейшее повышение температуры приводит к вспучиванию данного промежуточного продукта. Это происходит в связи с дальнейшим выделением газов и паров. Далее шихта постепенно отвердевает. Что представляет собой последняя стадия процесса, в результате которой получается кокс? Производство этого продукта осуществляется при растрескивании и усадке спека. В итоге происходит образование так называемого коксового пирога. Все фракции, имеющие парогазовую форму, отводятся по стоякам в газосборник.
Процесс нагрева шихты в камерах идет от ее нагреваемых стенок к центру. В связи с малой теплопроводностью сырья в различных местах стадии коксования находятся на разных этапах.
Весь процесс образования кокса длится от 14 до 17 часов. Его продолжительность зависит от температуры сгорания шихты, ее состава и размеров камеры.
После завершения технологического процесса производства кокса выключаются нагревательные устройства и перекрываются стояки. К дверям коксовой камеры подходит выталкиватель, с помощью которого полученный продукт выгружается в тушильный вагон. Таким образом и происходит освобождение печи. После этого выталкиватель навешивает герметичные двери и отправляется по рельсам к следующей камере. Туда же следует и загрузочный вагон. Он открывает люки и загружается новой дозой переработанной шихты.
Доставка продукта в башню
Полученный в камерах кокс необходимо подвергнуть тушению. Ведь после его соприкосновения с воздухом происходит самовозгорание. В тушильном вагоне кокс доставляется в башню, где он окончательно гасится водой. Далее продукт высыпается из вагона на наклонную бетонированную поверхность, называемую рампой. Здесь в течение двадцати минут происходит его остывание. После этого кокс при помощи транспортеров поступает на сортировку.
Попутные продукты
Производство кокса невозможно без выделения летучих веществ. Они представляют собой смесь газов и паров. Такие компоненты в совокупности называют прямым коксовым газом. После обработки одной тонны шихты, влажность которой достигает 6 %, получается 270 кг прямого коксового газа. В объемном выражении эта цифра равна 330 метрам кубическим.
В прямом коксовом газе, полученном из одной тонны шихты, содержится:
— около тридцати килограмм каменноугольной смолы;
— 10 кг сырого бензола;
— 3 кг аммиака;
— 5 кг сероводорода;
— 80 кг воды;
— 140 кг обратного газа.
До недавнего времени коксохимическое производство являлось единственным поставщиком, предлагающим бензольные углеводороды. Однако после развития сферы нефтепереработок данные продукты стало возможным получать с меньшими капиталовложениями. Это привело к тому, что доля коксохимического производства в поставках бензольных углеводородов упала до сорока процентов. Данный продукт используют в качестве сырья в процессе органического синтеза. Легкая же его фракция перерабатывается с сырым бензолом.
Другие виды попутных продуктов после их ректификации и обработки химическими реагентами, а также после вымораживания с последующей кристаллизацией дают возможность для получения около трехсот химических соединений высокого качества.
Использование нефти
Это природное вещество, так же, как и уголь, является стратегически важным для нашей страны. Их него осуществляется производство кокса и нефтепродуктов, которые представляют собой:
— топливо;
— церезины и парафины;
— смазочные масла;
— битумы;
— пластичные смазки;
— сырье, предназначенное для основного органического и нефтехимического комплекса;
— прочие продукты.
Нефтяной кокс
Такое словосочетание носит собирательный характер. Под нефтяным коксом понимают продукты глубокой переработки «черного золота». Сырьем для его производства служат компоненты, полученные при первичной переработке нефти. Это гудрон и полугудрон, асфальт и экстракт.
Производство нефтяных коксов происходит одним из двух способов:
— замедленным коксованием, которое осуществляется в необогреваемых реакторах;
— в кубовых установках с применением горизонтальных реакторов обогреваемого типа.
Первый из этих двух способов является самым популярным. С его помощью производят практически восемьдесят процентов этого вида продукта.
Нефтяной кокс в дальнейшем используется при производстве электродов, а также анодных масс и анодов при выплавке алюминия. Находит он применение и в технологических процессах изготовления ферросплавов, абразивов, кремния. Широко задействуют нефтяной кокс в химической промышленности.
Получение данного продукта происходит при низком давлении. При этом поддерживается температура от 480 до 560 градусов. Это позволяет произвести нефтяной кокс и бензины, углеводородные газы, а также керосино-газойлевые фракции.
Процесс коксования представляет собой расщепление всех компонентов, входящих в состав сырья. При этом образуются жидкие дистиллятные фракции и углеводороные газы.
Промышленный процесс получения нефтяного кокса осуществляется с использованием установок трех типов. Помимо периодического коксования в специальных кубах и замедленного процесса в камерах оно может происходить непрерывно в псевдоожиженной массе коксаносителя. Рассмотрим один из них, применяющийся наиболее часто, подробнее.
Замедленное коксование
Данный процесс называют еще и полунепрерывным. Этот способ получения нефтяного кокса наиболее распространен в мировой практике. Он подразумевает такой технологический процесс, при котором предварительно нагретое до 350-380 градусов сырье непрерывно подается на особые тарелки, находящиеся в ректификационных колоннах. Подобные установки работают при атмосферном давлении. Сырье для производства нефтяного кокса стекает по тарелкам и контактирует с парами, поднимающимися из реакционных аппаратов. Результатом такого массо- и теплообмена становится конденсат. Именно он и образует вместе с исходным продуктом вторичное сырье, подлежащее дальнейшему нагреванию до 490-510 градусов в трубчатых печах.
Далее смесь поступает в коксовые камеры. Это вертикально расположенные полые цилиндры, высота которых достигает 22-30 метров, а диаметр – 3-7 м.
Реакционная масса поступает в коксовые камеры непрерывно. Причем этот процесс длится на протяжении от 24 до 36 часов. За это время масса, благодаря удерживаемой ею теплоте, постепенно коксуется. Когда камера заполняется конечным продуктом на 70-90 процентов, его удаляют с помощью обычной струи воды, находящейся под высоким давлением.
Далее кокс помещают в дробилку, в которой измельчается на кусочки, размер которых не превышает 150 мм. После этого продукт с помощью элеватора подается на грохот, сортирующий его на фракции разных размеров. Камера, в которой был получен кокс, подлежит прогреву водяным паром и теми парами, которые подаются из работающих аппаратов. Далее емкость вновь заполняется сырьем.
Нефтяной кокс
Нефтяной кокс, твердый пористый продукт от темно-серого до черного цвета, получаемый при коксовании нефтяного сырья.
ИА Neftegaz.RU. Нефтяной кокс (Petroluem coke), твердый пористый продукт от темно-серого до черного цвета, получаемый при коксовании нефтяного сырья.
Нефтяной кокс подразделяют: по содержанию S на малосернистые (до 1%), сернистые (до 2%), высокосернистые (более 2%); по содержанию золы на малозольные (до 0,5%), среднезольные (0,5-0,8%), высокозольные (более 0,8%); по гранулометрическому составу (см.табл.) на кусковой (фракция с размером частиц более 25 мм), «орешек» (6 25 мм), мелочь (менее 6 мм).
— сырье для изготовления электродов, используемых в сталеплавильных печах;
— для получения карбидов (кальция, кремния), которые применяются при получении ацетилена;
— при изготовлении проводников, огнеупоров и др.
— сернистые и высокосернистые коксы используются в качестве восстановителей и сульфидирующих агентов,
— специальные сорта кокса используются как конструкционный материал для изготовления химической аппаратуры, работающей в условиях агресивных сред, в ракетной технике и тд
Несмотря на неодинаковые условия получения, кристаллиты имеют близкие размеры и представляют собой пакеты из параллельных слоев (плоскостей).
Размеры кристаллитов (в нм): длина плоскостей а=2,4-3,3, толщина пакетов с=1,5-2,0, межплоскостное расстояние 0,345-0,347.
Надмолекулярные структуры придают нефтяному сырью специфические свойства (структурно-механическую неустойчивость, способность к расслоению, малую летучесть), что существенно влияет на кинетику коксования и качество нефтяного кокса.
По способу получения нефтяные коксы можно разделить на коксы, получаемые замедленным коксованием и коксованием в обогреваемых кубах.
Перед использованием нефтяной кокс обычно подвергают облагораживанию (прокаливанию) на нефтеперерабатывающих заводах сразу после получения или у потребителя.
При прокаливании удаляются летучие вещества и частично гетероатомы (напр., S и V), снижается удельное электрическое сопротивление; при графитировании двухмерные кристаллиты превращаются в кристаллические образования 3-мерной упорядоченности и т.д.
В общем виде стадии облагораживания можно представить следующей схемой: Нефтяной кокс (кристаллиты) : карбонизация (прокаливание при 500-1000 °С) : двухмерное упорядочение структуры (1000-1400 °С) : предкристаллизация (трансформация кристаллитов при 1400°С и выше) : кристаллизация, или графитирование (2200-2800 °С).
Нефтяной кокс используют: для получения анодной массы в производстве Аl, графитированных электродов дуговых печей в сталеплавильной промышленности, в производствах CS2, карбидов Са и Si; в качестве восстановителей в химической промышленности (напр., в производстве BaS2 из барита) и сульфидизаторов в цветной металлургии (для перевода оксидов металлов или металлов, напр. в производствах Сu, Ni и Со, в сульфиды с целью облегчения их последующего извлечения из руд); специальные сорта как конструкционный материал для изготовления коррозионно-устойчивой аппаратуры.
В пищевой промышленности кокс используется при производстве сахара для замены доменного кокса.
Низкокачественный сернистый кокс используется в качестве топлива.
Кокс: формула, виды, применение
Кокс — это твердый продукт термической обработки без доступа кислорода различного вида топлива (торфа, угля, нефти или древесины). В ходе этого процесса концентрация углерода в исходном веществе повышается, а количество влаги и примесей снижается до минимальных значений. Благодаря этому кокс является очень хорошим топливом, которое горит при достаточно высоких температурах почти без дыма.
Кокс, как и сырье для его изготовления — это смесь многих веществ. Определить их точно невозможно. В химии формулу кокса узнать пока нельзя. Можно лишь определить некоторые его характеристики: содержание углерода, серы, иных примесей, а также влажность. Поэтому под определением «химическая формула кокса» в данной статье можно понимать вышеозначенные характеристики.
Существуют также промежуточные вещества, называемые полукоксами. Их изготавливают при более низкой температуре (обычно в два раза меньшей), чем при получении обычного кокса. Их также используют в промышленности. По виду топлива, из которого кокс изготавливают, вещество делят на несколько видов.
Каменноугольный кокс
Каменноугольный кокс — это твердый продукт серого цвета, который получается при прокаливании угля при температуре 950—1100 °С. Массовая доля углерода в нем составляет обычно 96-98 %. С химической точки зрения обладает способностью к восстановлению, так как углерод сам по себе хороший восстановитель.
Применяют данный вид кокса как топливо для выплавки чугуна (доменный кокс) и других сплавов (литейный), для получения железа из железной руды, а также в химической промышленности.
Нефтяной кокс
Из-за высокого содержания углерода подобный кокс применяется для изготовления электродов, карбидов кальция или кремния, шлифовочных материалов, проводников, как восстановители в химической промышленности. Нефтяной кокс довольно инертен, поэтому иногда его используют для изготовления химически- и термостойких деталей и аппаратуры.
Пековый кокс
Пек — это вязкий остаток перегонки древесного, нефтяного или угольного дегтя. Последний применяют для производства пекового кокса. В качестве сырья используют только предварительно разогретый и расплавленный пек. Температуру в процессе коксования постепенно увеличивают от 450 до 1000 °С. В результате этого процесса из пека уходят многие летучие вещества, которые также собирают и используют в других областях. После охлаждения воздухом или водой получается продукт, содержащий почти 98 % углерода.
Применяется этот вид кокса для изготовления анодов и анодной массы, а также в цветной металлургии.
Торфяной кокс
Торфяной кокс — это продукт термического разложения торфа. Температура самого процесса может различаться в зависимости от исходного сырья, а также от требования к готовому продукту, поэтому она колеблется от 550 до 1100 °С. Торфяной кокс содержит довольно мало серы и иных примесей, а также обладает повышенной реакционной способностью.
Торфяной кокс по формуле очень похож на каменноугольный, поэтому применяется для выплавки чугуна, восстановления железной руды и как сырье для изготовления активированного угля.