Каталог :: Химия

Шпора: 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 СО
2; 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.