Кокс каменноу́гольный (от нем. Koks и англ. coke ) — твёрдый пористый продукт серого цвета, получаемый путём коксования каменного угля при температурах 950—1100 °С без доступа кислорода в течение 14—18 часов.

Каменноугольный кокс является наиболее распространённым твёрдым топливом, использующимся в доменных печах для выплавки чугуна и других шахтных печах .

История

Начиная с железного века , основным видом твёрдого топлива, использовавшимся для производства металла в сыродутных горнах , а затем в домницах и доменных печах был древесный уголь . В XVI—XVIII веках в Европе обострилась проблема истощения лесов, в связи с чем начали проводиться опытные доменные плавки с использованием каменного угля . Все они были безуспешными. В результате экспериментов Абрахама Дарби I по созданию искусственного топлива в XVIII веке был открыт каменноугольный кокс. Первая доменная плавка на каменноугольном коксе была осуществлена в Великобритании его сыном Абрахамом Дарби II в 1735 году .

К середине XX века каменноугольный кокс стал единственным видом топлива для выплавки чугуна в больших доменных печах .

Состав и физические свойства

Состав:

Элемент	Содержание, %
С	96—98
Н , S , N , O	Остальное

Физические свойства:

Параметр	Значение	Единица измерения
Пористость	49—53	%
Истинная плотность	1,80—1,95	г / см ³
Кажущаяся плотность	≈1	г / см ³
Насыпная масса	400—500	кг / м ³
Зольность	9—12	%
Выход летучих веществ	1	%
Влажность при тушении водой	2—4	%
Влажность при тушении инертным газом	Не более 0,5	%
Предел прочности при сжатии	15—25	МПа
Предел прочности при срезе (характеризует устойчивость к истиранию)	6—12	МПа
Теплота сгорания	29—30	МДж / кг

Процесс коксования

Различают следующие последовательные стадии коксования каменного угля:

• Сушка угля при температуре до 100—120 °С.
• Нагрев угля до 300—350 °С.
• Размягчение и плавление угля при температуре 350—500 °С.
• Затвердевание расплава и образование полукокса при температуре 500—600 °С
• Прокаливание кокса при температуре 600—1100 °С в течение нескольких часов. На этом этапе из шихты удаляются все летучие вещества, аморфный углерод превращается в кристаллический графит. В ходе этой перекристаллизации и спекания вещества кокса его прочность и твёрдость увеличиваются в 30—40 раз .

Коксование угля производят в , представляющих собой камеру высотой 4—6 м, длиной 12—15 м и шириной не более 0,5 м. Для сокращения потерь тепла печи, как правило, объединяют по 40—70 в коксовые батареи .

Физико-химические свойства

Выше 900 °C легко восстанавливает СО ₂ ( С + СО ₂ = 2СО ); при 1000 °C скорость процесса (стандартная реакционная способность кокса) в расчете на 1 г кокса 0,1—0,2 мл СО ₂ за 1 с, энергия активации 140—200 кДж/моль. Скорость взаимодействия с О ₂ ( С +О ₂ = СО ₂ ), или горючесть кокса, значительно выше, чем с СО ₂ , и составляет при 500 °C около 0,1 мл О ₂ за 1 с, энергия активации 100—140 кДж/моль.

Физико-химические свойства кокса каменноугольного определяются его структурой, приближающейся к гексагональной слоистой структуре графита. Структура кокса характеризуется неполной упорядоченностью: отдельные фрагменты (слои), связанные Ван-дер-Ваальсовыми силами , статистически занимают несколько возможных положений (например, накладываются один на другой). Наряду с атомами углерода в пространственной решетке кокса, особенно в её периферийной части, могут располагаться гетероатомы (S, N, O).

Строение и свойства кокса каменноугольного зависят от состава угольной шихты , конечной температуры и скорости нагрева коксуемой массы. С увеличением содержания в шихте газовых и др. углей, характеризующихся малой степенью метаморфизма , понижением конечной температуры коксования и уменьшением выдержки при этой температуре, реакционная способность и горючесть получаемого кокса возрастает. При увеличении содержания газовых углей в шихте прочность и средняя крупность кусков кокса уменьшаются, а пористость его возрастает. Повышение конечной температуры коксования способствует увеличению прочности кокса каменноугольного, особенно к истиранию. При удлинении периода коксования и снижении скорости нагрева коксуемой массы средняя крупность кусков кокса увеличивается.

Применение

Каменноугольный кокс применяют для выплавки чугуна ( доменный кокс) как высококачественное бездымное топливо , восстановитель железной руды , разрыхлитель шихтовых материалов. Кокс используют также как ваграночное топливо в литейном производстве (литейный кокс), для бытовых целей (бытовой кокс), в химической и ферросплавной отраслях промышленности (специальные виды кокса).

Доменный кокс должен иметь размеры кусков не менее 25—40 мм при ограниченном содержании кусков менее 25 мм (не более 3 %) и более 80 мм. В нижней части доменной печи кокс является единственным шихтовым материалом, находящимся в твёрдом состоянии, выполняя роль пористой коксовой насадки . Каменноугольный кокс является наиболее распространённым твёрдым топливом, использующимся в доменных печах для выплавки чугуна и других шахтных печах .

Литейный кокс по размерам кусков крупнее доменного; наиболее пригоден продукт, в котором присутствуют куски менее 60—80 мм. Главное отличие литейного кокса от доменного — малое содержание серы, которое не должно превышать 1 % (в доменном коксе до 2 %). В промышленности ферросплавов используют мелкий кокс (например, фракцию 10—25 мм), при этом в отличие от доменного и литейного производств предпочитают применять продукт с большой реакционной способностью. Требования по прочности к бытовому коксу менее жесткие, чем к доменному и литейному. Во всех производствах лучшее сырье — наиболее прочный малозольный и малосернистый кокс, содержащий небольшое количество мелких фракций. Современное мировое производство кокса каменноугольного составляет около 550—650 млн т/год. От 60 до 70 % мирового производства осуществляется в КНР .

Коксующийся уголь

В отличие от других типов каменных углей, коксующиеся угли при нагревании без доступа воздуха становятся пластичными и подвергаются спеканию .

Коксующиеся угли имеют зольность менее 10 % и относительно низкое содержание серы (менее 3,5 %), выход летучих веществ (V ^daf ) составляет 15—37 %. По способности к коксообразованию коксующиеся угли подразделяются на 5 категорий — коксовые, жирные, отощённые коксовые, газовые и слабоспекающиеся. В стандартах СССР к коксующимся углям относили угли марок Г, ГЖ, Ж, КЖ, К, К2, OC и CC .

Коксующиеся угли добываются в СНГ (Донецкий, Печорский, Кизеловский, Кузнецкий, Карагандинский, Южно-Якутский, Тунгусский и другие бассейны), США (Аппалачский, Западный, Юинта, Грин-Ривер и др.), Великобритании (Нортамберлендский, Южно-Уэльский, Ланкаширский и Йоркширский бассейны), Германии (Нижнерейнско-Вестфальский, или Рурский, Нижневестфальский), Польше (Верхне- и Нижнесилезский, Люблинский ), Бельгии (Льежский), Индии (Бокаро, Ранигандж, Джхария), Канаде (Альберта), Австралии (Боуэн, Новый Южный Уэльс), Китае (Шаньси, Датун), Монголии ( Таван-Толгой ), Чехии (Остравско-Карвинский и Трутновский) .

Около 10 % каменного угля подвергается коксованию.

Основное отличие коксового угля от энергетического — наличие в коксующемся угле витрена (от лат. vitrum — стекло). Особенностью витрена является то, что при высокой температуре он способен плавиться и обретает свойство спекания (склеивания) микрочастиц угля в плотную массу — кокс. Чем больше в угле витрена, тем выше его качество коксования.

См. также

• Торфяной кокс
• Коксовая батарея

Примечания

Литература

• Луазон Р., Фош П., Буайе А. Кокс. Перевод с франц. — М.: 1975.
• Скляр М. Г. Интенсификация коксования и качество кокса. — М.: Металлургия, 1976. — 256 с.
• Вегман Е. Ф. , Жеребин Б. Н. , Похвиснев А. Н. и др. Металлургия чугуна : Учебник для вузов / под ред. Ю. С. Юсфина . — 3-е издание, переработанное и дополненное. — М. : ИКЦ «Академкнига», 2004. — 774 с. — 2000 экз. — ISBN 5-94628-120-8 .
• Коротич В. И. , Набойченко С. С. , Сотников А. И. , Грачев С. В. , Фурман Е. Л. , Ляшков В. Б. Начала металлургии: Учебник для вузов / под ред. В. И. Коротича . — Екатеринбург: УГТУ, 2000. — 392 с. — ISBN 5-230-06611-3 .
• Бабарыкин Н. Н . Теория и технология доменного процесса : Учебное пособие. — Магнитогорск : Издательский центр ГОУ ВПО « МГТУ », 2009. — 257 с. — 200 экз.