Кокс (топливо)

редактировать
Серое, твердое и пористое топливо с высоким содержанием углерода и небольшим количеством примесей. Сырой кокс

Кокс представляет собой серое, твердое и пористое топливо с высоким содержанием углерода и небольшим количеством примесей, полученное нагреванием угля или масло в отсутствие воздуха - процесс деструктивной перегонки. Это важный промышленный продукт, используемый в основном в плавке железной руды , но также в качестве топлива в печах и кузницах при Загрязнение воздуха вызывает беспокойство.

Безоговорочный термин «кокс» обычно относится к продукту, полученному из малозольного и малосернистого битуминозного угля с помощью процесса, называемого коксованием. Аналогичный продукт, называемый нефтяным коксом, или нефтяным коксом, получают из сырой нефти на нефтеперерабатывающих заводах. Кокс также может образовываться естественным путем геологическими процессами.

Содержание
  • 1 История
    • 1,1 Китай
    • 1,2 Великобритания
    • 1,3 США
  • 2 Производство
    • 2,1 Промышленные коксовые печи
    • 2.2 «Подовый» процесс
    • 2.3 Коксовая печь «Улей»
    • 2.4 Безопасность труда
  • 3 Использует
  • 4 Фенольные побочные продукты
  • 5 Свойства
  • 6 Другие процессы
  • 7 См. Также
  • 8 Ссылки
История

Китай

Исторические источники, датируемые 4 веком, описывают производство кокса в древнем Китае. Китайцы впервые использовали кокс для отопления и приготовления пищи не позднее девятого века. К первым десятилетиям XI века китайские рабочие-металлисты в долине Хуанхэ начали заправлять свои печи коксом, решая свою топливную проблему в этом малолесном регионе.

Великобритания

В 1589 году Томас Проктор и Уильям Петерсон получили патент на производство чугуна и стали и плавку свинца из «земляного угля, морского угля, дерна и торфа». В патенте содержится отчетливый намек на получение угля путем «варки». В 1590 г. декану Йорка был выдан патент на «очистку каменного угля и избавление от его неприятного запаха». В 1620 году компании, состоящей из Уильяма Сент-Джона и других рыцарей, был выдан патент, в котором упоминалось использование кокса при плавке руд и производстве металлов. В 1627 году сэру Джону Хэкету и Октавиусу де Страда был выдан патент на способ превращения морского угля и каменного угля в такие же полезные, как древесный уголь, для сжигания в домах без вреда запаха или дыма. 87>

В 1603 году Хью Плат предположил, что уголь можно обугливать аналогично тому, как древесный уголь получают из дерева. Этот процесс не применялся до 1642 г., когда кокс был использован для обжига солода в Дербишире ; ранее пивовары использовали древесину, так как некоксованный уголь нельзя использовать в пивоварении, потому что его сернистые пары придали бы неприятный привкус пиву. Это считалось улучшением качества и повлекло за собой «изменение, которым восхищалась вся Англия» - процесс кокса позволил добиться более легкой обжарки солода, что привело к созданию того, что к концу 17 века называлось pale ale.

Оригинальные доменные печи в Блистс-Хилл, Мэдли

В 1709 году Абрахам Дарби I установил коксовую доменную печь для производства чугун. Превосходная прочность кокса на раздавливание позволяла доменным печам становиться все больше и больше. Последовавшая доступность недорогого железа была одним из факторов, приведших к промышленной революции. Раньше в производстве железа использовалось большое количество древесного угля, полученного путем сжигания древесины. Поскольку вырубка лесов перестала удовлетворять спрос, в Великобритании стала обычным явлением замена кокса древесным углем, и кокс производился путем сжигания угля в кучах на земле, так что горел только внешний слой, оставляя внутреннюю часть ворса в карбонизированном состоянии. В конце 18 века были разработаны кирпичные ульевые печи, которые позволили лучше контролировать процесс горения.

В 1768 году Джон Уилкинсон построил более практичную печь для преобразование угля в кокс. Уилкинсон улучшил процесс, построив угольные кучи вокруг невысокой центральной дымовой трубы, построенной из рыхлых кирпичей и с отверстиями для входа дымовых газов, что привело к более высокому выходу лучшего кокса. Благодаря большему мастерству обжига, укрытия и закалки куч, урожайность к середине 19 века увеличилась с 33% до 65%. Во второй четверти XIX века металлургическая промышленность Шотландии быстро расширилась благодаря внедрению процесса горячего дутья на угольных месторождениях.

В 1802 году около Шеффилда была создана батарея ульев, чтобы закоксовать шов Silkstone для использования при плавке стали в тиглях. К 1870 году на угольных месторождениях Западного Дарема действовало 14 000 ульевиков, способных производить 4 000 000 длинных тонн (4 480 000 коротких тонн; 4 060 000 т) кокса. В качестве меры расширения производства кокса было подсчитано, что потребности черной металлургии составляли около 1 000 000 длинных тонн (1 120 000 коротких тонн; 1 020 000 тонн) в год в начале 1850-х годов, тогда как к 1880 г. выросла до 7 000 000 длинных тонн (7 800 000 коротких тонн; 7 100 000 т), из которых около 5 000 000 длинных тонн (5 600 000 коротких тонн; 5 100 000 т) было произведено в округе Дарем, 1 000 000 длинных тонн (1 120 000 коротких тонн; 1 020 000 т) - на угольном месторождении Южного Уэльса. и 1 000 000 длинных тонн (1 120 000 коротких тонн; 1 020 000 тонн) в Йоркшире и Дербишире.

41018 из Deutsche Reichsbahn восхождения на знаменитую Schiefe Ebene, 2016

В первые годы выпуска паровозов обычным топливом был кокс. Это стало результатом принятия раннего экологического законодательства; любой предложенный локомотив должен был «потреблять свой дым». Это было технически невозможно до тех пор, пока не начала использоваться арка топки , но горящий кокс с его низким уровнем дымовыделения считался удовлетворяющим требованиям. Это правило было незаметно отменено, и более дешевый уголь стал обычным топливом, поскольку железные дороги получили признание среди населения. Шлейф дыма от путешествующего локомотива кажется теперь знаком паровой железной дороги и таким образом сохранился для потомков.

Так называемый «газовый завод» производил кокс путем нагрева угля в закрытых камерах. Воспламеняющийся газ, который выделялся, хранился в газовых баллончиках для использования внутри страны и в промышленности для приготовления пищи, отопления и освещения. Газ был широко известен как «городской газ», так как подземные трубопроводные сети проходили через большинство городов. Его заменили на «природный газ» (первоначально добываемый на нефтегазовых месторождениях Северного моря) в десятилетие после 1967 года. Другие побочные продукты производства кокса включали смолу и аммиак, в то время как кокс использовался вместо угля в плитах для приготовления пищи и для обеспечения тепла. в жилых помещениях до появления центрального отопления.

США

Иллюстрация добычи угля и сжигания кокса с 1879 года Угольные коксовые печи в Кокедейл, Колорадо, поставляли сталелитейные заводы в Пуэбло, Колорадо.

В США первое использование кокса в чугунной печи произошло примерно в 1817 году на пудлинговой печи и прокатном стане Исаака Мисона Plumsock в округе Фейет, Пенсильвания. В конце 19 века угольные месторождения в западной Пенсильвании были богатым источником сырья для коксования. В 1885 году Rochester and Pittsburgh Coal and Iron Company построила самую длинную в мире цепочку коксовых печей в Уолстоне, штат Пенсильвания, с 475 печами на длине 2 км (1,25 мили). Их выпуск достиг 22000 тонн в месяц. Коксовые печи Минерсвилля в округе Хантингдон, штат Пенсильвания, были внесены в Национальный реестр исторических мест в 1991 году.

Между 1870 и 1905 годами. количество ульевых печей в США резко возросло с 200 до почти 31 000, в результате чего только в районе Питтсбурга было произведено почти 18 000 000 тонн кокса. Один наблюдатель хвастался, что если погрузить его в поезд, «годовое производство составило бы поезд такой длины, что двигатель перед ним отправился бы в Сан-Франциско и вернулся в Коннеллсвилл до того, как камбуз выехал со дворов Коннеллсвилля! " Количество ульевых печей в Питтсбурге достигло пика в 1910 году и составило почти 48 000.

Несмотря на то, что они производили высококачественное топливо, коксование отравляло окружающий ландшафт. После 1900 года серьезный экологический ущерб, нанесенный коксованием в ульях, привлек внимание всей страны, хотя этот ущерб страдал от этого района на протяжении десятилетий. «Дым и газ из некоторых печей уничтожают всю растительность вокруг небольших горнодобывающих поселений», - отметил В. Дж. Лаук из Иммиграционной комиссии США в 1911 году. Проезжая через регион на поезде, Университет Висконсина президент Чарльз Ван Хайз видел «длинные ряды ульевых печей, из которых вырывается пламя, и из которых вырываются густые облака дыма, делая небо темным. Ночью картина становится неописуемо яркой благодаря этим многочисленным горящим ямам. Ульевые печи составляют весь регион. коксового производства одно из унылого неба: унылое и нездоровое ».

Производство

Промышленные коксовые печи

Коксовые печи на заводе бездымного топлива, Аберквмбои, Южный Уэльс, 1976 г.

Промышленное производство кокса из угля называется коксованием . Уголь обжигается в безвоздушной печи, «коксовой печи» или «коксовой печи» при температурах до 2000 ° C (3600 ° F), но обычно около 1000–1100 ° C (1800– 2000 ° F). Этот процесс испаряет или разлагает органические вещества в угле, удаляя летучие продукты, включая воду, в виде угольно-газообразного и каменноугольного дегтя. Нелетучий остаток разложения представляет собой в основном углерод в виде твердого, несколько стекловидного твердого вещества, которое цементирует вместе исходные частицы угля и минералы.

На некоторых предприятиях есть печи для коксования "побочных продуктов", в которых летучие продукты разложения собираются, очищаются и отделяются для использования в других отраслях промышленности в качестве топлива или химического сырья. В противном случае летучие побочные продукты сжигаются для нагрева коксовых печей. Это более старый метод, но он все еще используется для нового строительства.

Битуминозный уголь должен соответствовать ряду критериев для использования в качестве коксующегося угля, определенным с помощью конкретных методов анализа угля. К ним относятся влагосодержание, зольность, содержание серы, содержание летучих, гудрон и пластичность. Это смешение нацелено на получение кокса соответствующей прочности (обычно измеряемой по прочности кокса после реакции ) при потере соответствующего количества массы. Другие соображения по смешиванию включают обеспечение того, чтобы кокс не слишком сильно разбухал во время производства и не разрушал коксовую печь из-за чрезмерного давления на стенку.

Чем больше летучих веществ в угле, тем больше можно получить побочного продукта. Обычно считается, что 26–29% летучих веществ в угольной шихте подходят для коксования. Таким образом, различные типы угля пропорционально смешиваются для достижения приемлемого уровня летучести до начала процесса коксования. Если диапазон типов угля слишком велик, полученный кокс будет иметь сильно различающиеся прочность и зольность и обычно не продается, хотя в некоторых случаях он может продаваться как обычное отопительное топливо. Поскольку кокс потерял летучие вещества, его нельзя закоксовывать снова.

Коксующийся уголь отличается от энергетического угля, но образуется в результате того же основного процесса углеобразования. Коксующийся уголь имеет отличные от энергетического угля мацералы, то есть различные формы сжатого и окаменевшего растительного вещества, составляющего уголь. Различные мацералы возникают из разных смесей видов растений и вариаций условий, в которых образовался уголь. Коксующийся уголь классифицируется в соответствии с его массовым процентом золы после сжигания:

  • Сталь марки I (зольность не более 15%)
  • Сталь марки II (более 15%, но не более 18%)
  • степень мойки I (более 18%, но не более 21%)
  • степень очистки II (более 21%, но не более 24%)
  • степень очистки III (более 24% но не более 28%)
  • Промывка IV степени (более 28%, но не более 35%)

«Подовый» процесс

«Подовый» процесс коксования с использованием кусковой уголь был сродни сжиганию угля; вместо кучи заготовленных дров, покрытых ветками, листьями и землей, была куча углей, покрытая коксовой пылью. Процесс очага продолжал использоваться во многих областях в течение первой половины 19 века, но два события значительно уменьшили его важность. Это были изобретение горячего дутья при выплавке чугуна и внедрение коксовой печи для ульев. Использование дутья горячего воздуха вместо холодного в плавильной печи было впервые предложено Нейлсоном в Шотландии в 1828 году. Процесс получения кокса из угля в очаге - очень длительный процесс.

Улейный кокс печь

коксовые печи и угль напиток в Пенсильвании

пожара кирпич камера в форме купола используется, широко известный как улая печь. Обычно он имеет ширину 4 метра (13,1 фута) и высоту 2,5 метра (8,2 фута). В крыше есть отверстие для загрузки сверху угля или другой растопки. Отверстие для разгрузки предусмотрено по периметру нижней части стены. В коксовой батарее несколько печей выстроены в ряд с общими стенками между соседними печами. Батарея состояла из множества печей, иногда сотен подряд.

Уголь вводился сверху, чтобы получить ровный слой глубиной от 60 до 90 сантиметров (от 24 до 35 дюймов). Сначала подается воздух, чтобы зажечь уголь. Начинается карбонизация и образуются летучие вещества, которые сгорают внутри частично закрытой боковой двери. Карбонизация идет сверху вниз и завершается за два-три дня. Тепло обеспечивается горящими летучими веществами, поэтому побочные продукты не восстанавливаются. Выхлопные газы могут улетучиваться в атмосферу. Горячий кокс гасится водой и выгружается вручную через боковую дверь. Стены и крыша сохраняют достаточно тепла, чтобы инициировать карбонизацию следующей загрузки.

Когда уголь сжигали в коксовой печи, примеси угля, которые еще не были удалены в виде газов, накапливались с образованием шлака, который фактически представлял собой скопление удаленных примесей. Поскольку это не был желаемый продукт кокса, шлак изначально был не более чем нежелательным побочным продуктом, и его выбрасывали. Позже, однако, было обнаружено, что у него много полезных применений, и с тех пор он использовался в качестве ингредиента при производстве кирпича, смешанного цемента, покрытой гранулами черепицы и даже в качестве удобрения.

Безопасность труда

Люди могут подвергаться воздействию выбросов коксовых печей на рабочем месте при вдыхании, контакте с кожей или глазами. Управление по безопасности и гигиене труда (OSHA) установило установленный законом предел для воздействия выбросов коксовых печей на рабочем месте на уровне 0,150 мг / м бензол -растворимой фракции сверх восьмичасовой рабочий день. Национальный институт безопасности и гигиены труда (NIOSH) установил Рекомендуемый предел воздействия (REL) 0,2 мг / м бензол -растворимой фракции на восемь -часовой рабочий день.

Использует

Кокс используется в качестве топлива и в качестве восстановителя при плавке железная руда в доменной печи. Моноксид углерода, образующийся при его сжигании, восстанавливает оксид железа (гематит ) при производстве продукта железа. (2 Fe 2 O 3 + 3 C ⟶ 4 Fe + 3 CO 2 {\ displaystyle {\ ce {2Fe2O3 + 3C ->4Fe + 3CO2}}}{\displaystyle {\ce {2Fe2O3 + 3C ->4Fe + 3CO2}}} )>

Кокс обычно используется в качестве топлива для кузнечного дела.

Кокс использовался в Австралии в 1960-х и начале 1970-х годов для отопления домов, а в Великобритании был стимулирован для домашнего использования (чтобы заменить уголь) после Закон о чистом воздухе 1956 г., который был принят в ответ на Великий лондонский смог в 1952 г.

Так как дымовые составляющие удаляются во время коксования угля, кокс образует желаемое топливо для печей и печей, в которых условия не подходят для полного сжигания самого битуминозного угля. или без дыма, в то время как битуминозный уголь будет производить много дыма. Кокс широко использовался в качестве бездымного топлива т. е. использование угля для отопления жилых помещений после создания «бездымных зон » в Соединенном Королевстве.

ликеро-водочный завод Highland Park в Оркнейских островах обжаривает солодовый ячмень для использования в шотландском виски в печах, сжигающих смесь кокса и торфа.

Кокс может использоваться для получения синтез-газа, смеси окиси углерода и водорода.

  • Синтез-газа ; водяной газ : смесь окиси углерода и водорода, полученная путем пропускания пара над раскаленным коксом (или любым углем на основе углерода).
  • Промежуточный газ (всасываемый газ); древесный газ ; генераторный газ; синтетический газ : смесь оксида углерода, водорода и азота, полученная путем пропускания воздуха через раскаленный кокс (или любой уголь на основе углерода)
  • Кокс Печной газ, вырабатываемый коксовыми печами, похож на синтез-газ с 60% водорода по объему. Водород можно экономично извлечь из коксового газа для различных применений (включая производство стали).
Фенольные побочные продукты

Сточные воды коксования очень токсичны и канцерогены. Он содержит фенольные, ароматические, гетероциклические и полициклические органические соединения, а также неорганические соединения, включая цианиды, сульфиды, аммоний и аммиак. В последние годы изучаются различные методы его лечения. Грибок белой гнили Phanerochaete chrysosporium может удалять до 80% фенолов из сточных вод коксования.

Свойства
печи Hanna компании Great Lakes Steel Corporation, Детройт. Угольная башня на коксовых печах. Ноябрь 1942 г.

Основная удельная масса кокса обычно составляет около 0,77. Он очень пористый.

Самыми важными свойствами кокса являются зола и содержание серы, которые зависят от угля, используемого для производства. Кокс с меньшим содержанием золы и серы высоко ценится на рынке. Другими важными характеристиками являются индексы раздавливания при испытаниях M10, M25 и M40, которые передают прочность кокса при транспортировке в доменные печи; В зависимости от размера доменных печей мелко измельченные куски кокса не должны попадать в доменные печи, поскольку они будут препятствовать прохождению газа через загрузку чугуна и кокса. Связанной характеристикой является индекс прочности кокса после реакции (CSR); он показывает способность кокса выдерживать суровые условия внутри доменной печи, прежде чем превратиться в мелкие частицы.

В конце процесса коксования содержание воды в коксе практически равно нулю, но часто его закаливают водой, чтобы его можно было транспортировать в доменные печи. Пористая структура кокса впитывает немного воды, обычно 3–6% от ее массы. На более современных коксовых заводах усовершенствованный метод охлаждения кокса основан на закалке на воздухе.

Битуминозный уголь должен соответствовать набору критериев для использования в качестве коксующегося угля, определенным с помощью конкретных методов анализа угля.

Другие процессы
Illawarra Coke Company (ICC) в Coalcliff, Новый Южный Уэльс, Австралия

Твердый остаток, оставшийся от очистки нефти с помощью процесса «крекинга », также является формой кокса. Нефтяной кокс помимо топлива имеет множество применений, таких как производство сухих элементов и электролитических и сварочных электродов.

Производство газовых заводов синтез-газ также производит кокс в качестве конечного продукта, называемого газовым коксом.

Коксование в жидком состоянии - это процесс, при котором тяжелая остаточная нефть превращается в более легкие продукты, такие как нафта, керосин, топочный мазут и углеводородные газы. Термин «текучий» относится к тому факту, что твердые частицы кокса ведут себя как жидкие твердые частицы в процессе непрерывного флюидного коксования по сравнению с более старым периодическим процессом замедленного коксования, когда твердая масса кокса накапливается в коксовом барабане. через некоторое время.

См. Также
Ссылки
На Викискладе есть материалы, связанные с Коксом (топливом).
Последняя правка сделана 2021-05-15 14:07:39
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте