Термическая переработка твердых топлив

При нагревании твердого топлива без доступа воздуха происходит разложение горючей массы топлива и выделение летучих веществ, состоящих из CO, CO₂, H₂, CH₄и других газообразных углеводородов, а также паров смолы. Остаток после отгонки летучих веществ содержит значительно меньше кислорода и водорода, чем исходное твердое топливо, и соответственно больше углерода. Получаемое таким путем искусственное твердое топливо горит без пламени и обладает высокой теплотой сгорания и жаропроизводительностью. Его используют в доменных печах, в качестве бытового топлива и для других целей.

Процесс термической переработки твердого топлива называют также сухой перегонкой топлива, пирогенетической переработкой, термическим разложением. Термическую переработку твердого топлива осуществляют обычно при температуре около 1000ºС (коксование) или при 500-550ºС (полукоксование). В процессе коксования каменных углей определенных марок получают прочный кокс для доменных печей, смолу и коксовый газ. В процессе полукоксования каменных углей, бурых углей, торфа и древесины получают менее прочный полукокс, весьма ценную первичную смолу и полукоксовый газ.

Древесный уголь. При сухой перегонке древесины в печах при температуре ~ 500ºС получают газ в количестве ~20% от веса сухой массы топлива, ~7% смолы, 50% подсмольной воды и ~23% обуглероженного твердого остатка (древесного угля). Состав древесного угля в большой степени зависит от температуры сухой перегонки, а также от породы древесины.

При повышении температуры сухой перегонки снижается содержание в угле кислорода и водорода, возрастает содержание углерода и повышается теплота сгорания.

Важным отличием древесного угля от каменных углей и антрацита является отсутствие в первом серы, благодаря чему древесный уголь является весьма ценным топливом для выплавки высококачественного металла. Однако значительно бóльшая стоимость древесного угля по сравнению с каменноугольным коксом препятствует его широкому применению в металлургии. Следует также отметить высокую пористость древесного угля (около 80%), позволяющую использовать его в качестве адсорбента в ряде технологических процессов.

Каменноугольный кокс. Важнейшим видом искусственного твердого топлива является кокс, получаемый из каменных углей при температуре коксования около 1000ºС. Для производства кокса применяют спекающиеся каменные угли. В шихту для коксования часто вводят также менее дефицитные тощие и газовые угли.

В процессе коксования на 1 т сухой массы угля получают около 750-800 кг кокса, 300-350 м³ коксового газа (130-140 кг), 20-50 кг смолы, около 8-10 кг сырого бензола и 2-3 кг аммиака. В процессе коксования угля (с выходом летучих веществ 27%) в кокс переходит около 86% углерода, 60 % серы, 45% азота, 7% водорода и 5% кислорода, содержащихся в перерабатываемом угле.

В процессе производства чугуна из железной руды в доменных печах кокс используется в качестве топлива и восстановителя. Окись углерода, образующаяся в результате взаимодействия CO₂ с углеродом кокса, восстанавливает в доменном процессе окислы железа, а не прореагировавшая в печи окись углерода переходит в доменный газ, используемый на металлургических заводах для высокотемпературного нагрева воздуха, вдуваемого в домны, и для других целей. В соответствии с этим для повышения образования CO в доменном процессе стремятся увеличить поверхность соприкосновения CO₂ с углеродом и применять доменный кокс пористостью 50% и выше.

Механическую прочность кокса устанавливают по испытанию во вращающемся барабане. После 100 оборотов барабана, вращающегося со скоростью 25 об/мин, кокс подвергается ситовому анализу, на основе которого определяют выход крупного кокса с размером кусков более 40 мм и коксовой мелочи размером менее 10 мм.

Истинная плотность кокса, измельченного до раскрытия наиболее тонких пор, равна 1,8-2 г/см³, она значительно превышает плотность каменного угля. Кажущаяся плотность кокса (с учетом его высокой пористости) меньше истинной примерно в два раза и меньше кажущейся пористости угля. Насыпной вес кокса равен 400-500 кг/м³. Он возрастает с уменьшением пористости и размера кусков кокса.

Качество металлургического кокса в большой степени зависит от его состава. Крайне отрицательно на качество кокса влияет наличие фосфора, переходящего в выплавляемый чугун и повышающего хрупкость последнего в холодном состоянии. Почти весь фосфор, содержащийся в угле, переходит в кокс. Поэтому фосфористость кокса обусловлена содержанием фосфора в угле.

Весьма важной характеристикой доменного и литейного кокса является содержание серы, переходящей в выплавляемый металл и обусловливающей его ломкость при высоких температурах. Во избежание этого, при работе на сернистом коксе в доменную печь вводят большее, чем обычно, количество флюсов (CaCO₃, MgCO₃), химически связывающих серу, содержащуюся в коксе, и переводящих ее в шлаки.

Крайне нежелательным компонентом кокса является также минеральная масса, образующая золу при сжигании кокса. Повышенная зольность кокса вызывает увеличение расхода флюсов и топлива, а также снижение производительности печей. Зольность кокса примерно на 30% превышает зольность исходного угля. Увеличение зольности кокса на 1% обусловливает повышение расхода кокса примерно на 2,5%.

В металлургическом коксе содержится обычно от 2 до 5% влаги. Влажность мелкого кокса значительно выше – до 12-15%.

Горючая масса кокса характеризуется примерно следующим составом (в %): = 96, = 1, = 0,5, =1,0. Низшая теплота сгорания горючей массы кокса ~32,45 МДж/кг.

При зольности кокса около 10% и влажности 3% состав рабочей массы кокса примерно следующий (в %): = 83,0; = 1,0; = 0,5; = 1,5; =1,0; = 10,0; = 3,0. Низшая теплота сгорания кокса этого состава равна ~28,5 МДж/кг; жаропроизводительность - около 2200ºС.

Производство кокса связано с крупными капиталовложениями и эксплуатационными расходами. Поэтому большое народнохозяйственное значение имеет замена кокса другими, более дешевыми видами топлива, например, частичной заменой природным газом, мазутом и угольной пылью.