Кокс и промышленность

Возрастающая ценность основных используемых источников энергии приводит к разработке новых технологий в области энергетики и топлива.
Рост цен на природный газ, электрическую энергию, различные виды топлива особенно остро сказывается на затратах производства, что ложится в себестоимость продукции и, как следствие, ложится на конечного потребителя.

Коксующийся уголь за 2016 год подорожал на 126%, то есть более, чем в 2 раза.

В себестоимости готовой стальной продукции затраты на кокс составляют около 50%.

Коксующийся уголь добывают коксованием каменного угля. Твердое топливо под названием кокс, представляет собой огромную техническую ценность.

Не менее 10% всего каменного угля подвергают коксованию, это говорит о важности кокса в энергетике и промышленности, в частности, металлургической- при выплавке чугуна.

В доменном производстве применяют исключительно доменный кокс, который применяется и при восстановлении металлов из руды, и в качестве разрыхлителя шихтовых материалов.
В литейном производстве используют каменноугольный или литейный кокс, в химмической промышленности и при производстве ферросплавов - его специальные разновидности.

В металлургической промышленности использовать некоксующийся уголь- запрещено.
Коксующиеся угли ценятся выше, чем некоксующиеся.

Уголь

Запасы угля в мире. 

Запас угля нашей планеты расположенного на глубинах до 1800 метров оценивается в 12 000-23 000 млрд. тонн, а исключив недостоверные оценки - в 14000–16000 млрд. тонн.

Мировой геологический запас угля, содержащихся в недрах угленосных формациях по данным на 1980 г., оценивались в 14311 млрд. т (Из них 57% запасов приходилось на Азию, 30% – на Северную Америку, 13% - на остальные континенты). По данным на 2013г мировые запасы угля оценивают в 891 531 млн. тонн.  

Запасы угля. Добыча угля

Основное количество общего запаса угля находится на глубинах до 600 м. Стоит отметить, что в некоторых крупных бассейнах, таких, как Донецкий (Украина) и Рурский (Германия и Бельгия), запас угля находящегося на глубине до 600 м практически выработаны, а оставшиеся запасы содержатся на значительно больших глубинах.

В 2016 году Украина увеличила добычу угля на 2,82% (на 1,12 млн  тонн) до 40,86 млн тонн, по сравнению с 2015 годом.

Как получают кокс

Кокс - не весь каменный уголь, а его нелетучий углеродистый остаток. Для его получения уголь должен быть следующим:

• жирным,
• отощенно-спекающимся,
• газовым,
• слабоспекающимся, 
• коксовым.

По данным МЭА (IEA) в 2015 году в мире произвели 1,09 млрд тонн коксующегося угля, что на 1,6% меньше, чем в 2014.  Производство Китая составило 611,1 млн т, или 56,1% от общего количества. 

Основные характеристики коксующегося угля

При коксовании учитываются такие показатели, как:

• спекаемость,
• приобретение пластичности,
• технический состав,
• количесво примесей,
• температура сгорания.

Изменения этих характеристик влияет на стадии распределения шихты в печи.

Процесс коксования

Все процессы коксования происходят в каменном угле при его нагревании.

1. Для начала его измельчают и смешивают, с целью получения, так называемой, смеси коксования или шихты.
2. Далее производится само коксование. Прокаливание смеси, в течении 15 часов, в камере печи при высокой температуре (+ 1000-1200 град. по Цельсию). В таких печах используется газовый нагрев с минимальным доступом воздуха. 
3. Изъятие «коксового пирога» из печи.

Кокс в доменом производстве

Одним из основных направлений использования коксующегося угля является доменное производсто.

С 18 века кокс является основным источником углерода в доменном процессе. С 1960 года до настоящего времени в доменном процессе всё больше и больше используют дополнительные топлива, такие как мазут, смола, уголь и природный газ.

Дополнительные топлива вдуваются в печь через воздушные фурмы, снижая теоретическую температуру горения топлива на фурмах. Для компенсации снижения теоретической температуры горения дутьё обогащают кислородом.

За последние 50 лет расход кокса в доменном производстве значительно снизился.

Это произошло благодаря:

• вдуванию в доменные печи дополнительных топлив (При вдувании пылеуглеродного топлива нормальной практикой считается работа доменной печи с расходом кокса около 300 килограмм на одну тонну чугуна, вместо привычных 500кг/тн)
• улучшению качества шихтовых материалов,
• повышению температуры дутья,
• увеличению объема печи,
• усовершенствованию управления процессом.

Функции кокса в доменной печи

Кокс и железорудное материалы в доменную печь загружают чередующимися слоями.

Структура слоя кокса способствует распределению газа по сечению и проникновению его в слои железорудных материалов.

Наиболее важными функциями кокса являются:

•  Генерация в процессе горения на формах тепла и восстановленного газа, необходимого для восстановления и плавления железорудных материалов.

• Создание в печи газопроницаемой структуры, обеспечивающей необходимое распределение газа по сечению печи и прохождение его через железорудные материалы.

• Создание в нижней части печи прочной структуры (коксовой насадки), проницаемость для жидких продуктов плавки. Кокс остается твердым и пористым материалом при его нагреве до высоких температур (более 2000 градусов Цельсия), что имеет особое значение в горне и зоне когезии. Под зоной плавления кокс остается единственным твердым материалом. Столб всей шихты заполняющий доменную печь, поддерживается слоем кокса, заполняющего нижнюю часть печи- коксовой насадкой.

Коксовая насадка должна быть хорошо проницаема для продуктов плавки, чтобы чугун и шлак могли стекать по ней из зоны плавления в горн, накапливаться и свободно перетекать к летке во время выпуска.

Участие в процессах прямого восстановления железа, кремния, марганца, науглероживания чугуна в качестве поставщика углерода.
При прохождении в доменной печи кокс подвергается механическому и химическому воздействию. Средний размер кусков уменьшается, при этом показатель его холодной прочности (I40) остается постоянным.

Использование концентрированного нелетучего угля. 

Нелетучий углеродистый остаток повышает газопроницаемость доменных зарядов, воздействующих на него. Температура в печи должна быть максимально высокой, а это возможно лишь при использовани концентрированных нелетучих материалов. Пар и газ обеспечивают в печи необходимую температуру, которая потреблялась бы для газообразования от самой печи. Углеродистый остаток должен быть плотным и тяжелым, что бы загрузить в горн максимальное количество горючих материалов.

Качество кокса

Качество кокса можно описать двумя широкими категориями:

1. Состав.
2. Механическая холодная и горячая прочность.

Важные характеристики состава - содержание золы и влажность кокса. Оба показатели должны быть как можно меньше.

Содержание золы обычно составляет 8-12 % и зависит от зольности используемых углей.

Влажность является последствием тушения и последующей транспортировки и хранения кокса.

Другие важные показатели химического состава - содержание серы и щелочей.
Качество кокса влияет на износ футеровки горна.

Физическим характеристикам качества Кокса относятся следующие:

• Размеры, гранулометрический состав. Средний размер металлургического кокса обычно составляет от 45 до 55 миллиметров миллиметров. Для обеспечения высокой проницаемости слоя кокса гранулометрический состав его должен быть узким. Повышенное содержание в коксе фракции более 80 указывает на плохое регулирования процесса коксования.
• Сопротивление физическому разрушению при транспортировке и других механических воздействиях. Показателями, которые оценивает эту характеристику являются - I40, М40, "Стабильность". Данные показатели указывают на гранулометрический состав кокса после его химической стабилизации.
• Стойкость к истиранию, которая характеризует показателями - I10, М10, "Твердость".
• Реакционная способность кокса. Кокс может реагировать с CO2, что приводит к его разупрочнение и увеличивает его расход в доменной печи. Кокс с меньшей реакционной способностью (показатели реакционной способности кокса - CRI) и высокой горячей прочностью ( показатель горячей прочности - CSR) имеет более высокую механическую прочность в нижней части печи.
• Постоянство качественных характеристик кокса, особенно его размера и гранулометрический состав, оказывает большое влияние на работу доменной печи.

Качество кокса в основном зависит от качества используемой угольной шихты, хотя ее подготовка, время коксования, состояние оборудования и способ тушения также оказывают влияние на качество кокса.

Оптимизация угольной шихты сама по себе является искусством, в котором следует учитывать множество важных факторов.

К ним относятся содержание летучих веществ в угле,  давление газа, выделяющегося из угля в процессе коксования.

Получаемый кокс должен достаточно уменьшиться в объеме, чтобы его легко было вытолкнуть из камеры коксования, а давление выделяющегося при коксовании газа не должно быть высоким, чтобы не повредить стенки камеры коксования.

Скорость коксования зависит от температуры. Чем выше скорость коксования, тем больше трещин образуется в коксовом "пироге" и тем меньше размер кусков полученного кокса. Среднее время коксования 16- 24 часа.

Заключение

Сталелитейные предприятия являются основными покупателями коксующегося угля. Кроме них кокс применяется в цветной металлургии и в других производствах. В мире для производства 1 628 млн тонн стали необходимо использовано около 800 млн тонн кокса.

В черной металлургии для производства одной тонны чугуна уходит около 0,4 т кокса. Это достигается за счет использования экономных и альтернативных технологий (вдувание пылеуглеродного топлива), заменяющих кокс, которые развиваются и применяются несколько ограниченно.

Наиболее активно технология вдувания пылеугольного топлива используется в Азии. Приблизительно 45% из действующих комплексов PCI (без учета Китая) установлены на азиатских заводах в Японии, Южной Корее, Индии. 

В 2017 году азиатскими металлургами планируется открытие новых доменных производств, с установками PCI, что будет способствовать снижению расхода кокса.

Учитывая дефицит угля, при сохранении такой тенденции, в ближайшие годы мировая металлургическая промышленность продолжит характеризоваться устойчивым спросом на кокс и высокими ценами на продукцию.