При нагревании твердого топлива без доступа воздуха разлагается горючая масса топлива и выделяются летучие вещества, состоящие из СО, СОг, Нг, СН< и других газообразных углеводородов, а также из 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, вагранках, 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 1000°С (коксование) или при 500—550 °С (полу­коксование).

В процессе коксования каменных углей определенных марок полу­чают прочный кокс для доменных печей и вагранок, 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 ~ 500 °С получают газ в количестве ~20% от веса сухой мас­сы топлива, ~7% смолы, 50% подсмольной воды, т. е. водного раствора метилового спирта (СН3ОН), ацетона (СН3СОСН3) и ~23% обугле — роженного 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.

В табл. 90 приведены примерный состав и теплота сгорания горю­чей массы древесного угля в зависимости от температуры сухой пере­гонки древесины.

Древесный уголь содержит около 1—2% минеральных веществ и 5—6% влаги. Малое содержание влаги в древесном угле по сравнению с дровами обусловливает большое различие в их теплоте сгорания и жаропроизводительности (табл. 91).

Теплота сгорания горючей массы древесного угля превышает теплоту сгорания горючей массы древесины на 60—80%, а теплота сгорания ра­бочей массы древесного угля примерно в 3 раза выше теплоты сгорания дров, содержащих 40% влаги. Благодаря высокой теплоте сгорания

189

Древесный уголь, в отличие от дров, легче транспортировать. Жаропро­изводительность древесного угля (2150 °С) превышает жаропроизводи­тельность дров (с Ц7р=40% ) более чем на 500°, а жаропроизводитель­ность горючей массы древесины на 150°.

Д. И. Менделеев считал наиболее важным отличием древесного угля «от дров его высокую жаропроизводительность, а также горение без пла­мени, что позволяет уменьшать рассеивание тепла вследствие излуче­ния и поддерживать в зоне горения высокую температуру, близкую к жаропроизводительности [19].

Древесный уголь, в отличие от каменных углей и антрацита, не со­держит серы, благодаря этому он является весьма ценным топливом для выплавки высококачественного металла. Однако значительно большая стоимость древесного угля по сравнению с каменноугольным коксом препятствует сколько-нибудь широкому его применению в ме­таллургии.

Высокая пористость древесного угля (около 80%) позволяет исполь­зовать его в качестве адсорбента в ряде технологических процессов.

Торфяной полукокс. При нагревании торфа до температуры 550 °С отгоняется около 250 м3 полукоксового газа (швельгаз) и 90—100 кг первичной смолы на 1 т сухой массы торфа. Выход обуглероженного остатка полукокса составляет околй 400 кг. Состав торфяного полу­кокса зависит от температуры полукоксования и состава перерабаты­ваемого торфа. Примерный состав полукокса, %: 86 Сг; 3 Нг; 11 (Ог+№).

Торфяной полукокс является пористым высокореакционноспособным видом искусственного твердого топлива с невысокой механической проч­ностью.

Пористость торфяного полукокса 45—55%, вес 1 м3 330—390 кг, плотность кажущаяся 0,9—1,1, действительная 1,7—1,8, температура воспламенения 350 °С.

Торфяной полукокс содержит мало серы и фосфора. Зольность полу­кокса в 2—2,5 раза превосходит зольность исходного торфа.

Жаропроизводительность полукокса t’mах около 2100 °С; низшая теп­лота сгорания, отнесенная к 1 м3 сухих продуктов сгорания, Р равна ■—900 ккал/м3 РОгтах сухих продуктов сгорания около 20%.

Буроугольный и каменноугольный полукокс. В процессе полукоксо­вания бурых и каменных углей при конечной температуре процесса 550—580 С получают 60—80 м3 газа на 1 т сухой массы, от 80 до 200 кг первичной смолы и 700—750 кг полукокса.

В состав горючей массы полукокса входит 90—92% С; 2—3% Н;

3— 4% О; 0,2—1,5% S; около 2% N. Теплота сгорания горючей массы порядка 5700—6500 ккал/кг.

Зольность полукокса, естественно, выше зольности исходного угля. Влажность буроугольного полукокса 12—20%, а каменноугольного

4— 10%. Полукокс характеризуется высокой пористостью, реакционной способностью и малой насыпной массой (500—600 кг/м3). Прочность полукокса колеблется в широких пределах в зависимости от состава перерабатываемого угля.

Кусковой полукокс горит без образования дыма, легко зажигается и является ценным видом топлива для бытовых нужд и газогенератор­ных установок. Полукоксовую пыль сжигают в котлах.

Разновидность полукокса — карбонизированные брикеты.

Жаропроизводительность полукокса /щах составляет около 2100 °С.

Карбонизированные брикеты. При изготовлении карбонизированных брикетов бурый уголь измельчают, высушивают и брикетируют под дав­лением около 1000 кгс/см2. Полученные брикеты подвергают карбониза­ции, т. е. нагреванию без доступа воздуха, с целью отгонки летучих ве­ществ.

Карбонизированные брикеты применяют в качестве топлива для бы­товых и коммунальных нужд и в промышленных установках. Отгоняе­мый горючий газ используют для отопления сушильных аппаратов бри­кетных фабрик и для других целей.

При производстве карбонизированных брикетов из каменных углей измельченный уголь перед брикетированием смешивают со связующим.

Каталитически активированные беспламенные брикеты. Высокореак­ционные брикеты можно получить следующим методом.

Отходы древесного угля, полукокса или другого высокореакционно — способного топлива смешивают со связующим и брикетируют.

Полученные весьма непрочные брикеты, горящие с образованием сажистого пламени, термически обрабатывают без доступа воздуха. При этом по мере повышения температуры обжига прочность брикетов увеличивается. Низшая теплота сгорания брикетов 7500 ккал/кг.

Брикеты, подвергнутые термической обработке при температуре 600 °С и выше, обладают достаточной прочностью и сгорают без образо­вания искр, пламени и дыма. Ценность брикетов в качесгзе топлива для бытовых потребителей и ряда других областей применения можно значительно повысить их каталитической активацией. Активированные брикеты легко зажигаются и полностью сгорают даже в том случае, ког­да одиночный брикет горит на рткрытом воздухе [107].

Процесс горения осуществляется без видимого пламени, под тонким слоем золы. По мере осыпания золы обнажается поверхность брикета, нагретая до красного каления.

191

В качестве катализаторов, обеспечивающих значительное по­вышение реакционной способно­сти брикетов и полноту их сгора­ния, используют гидраты илн карбонаты натрня или калия, вво­димые в состав брикетируемой шихты в количестве около 3% (по массе).

Аналогичный эффект достига­ется при введении 4% NaCl, КС1 илн древесной золы, содержащей значительное количество К2СО3.

На рис. 14 приведены фотогра­фии брикетов, активированных Na2C03, NaCl, СаО и MgO через 5 мин (рнс. 14, а), через 10 мин (рис. 14,6) и через 15 мин после зажигания (рис. 14, в).

Каталитически активирован­ные брикеты, загруженные в пер­форированные коробки из кро­вельного железа с отверстиями диаметром 2 мм, горят без обра­зования пламени и безопасны в пожарном отношении.

Процесс горення брикетов массой порядка 700 г можно растянуть на 6—10 ч без опасения, что зажженные брикеты погаснут. Это позволяет использовать активиро­ванные брикеты для поддержания автомобильных двигателей в пуско­вом состоянии при безгаражной стоянке автомашин.

Каталитически активированные брикеты можно эффективно исполь­зовать в малогабаритных печах, в отопительных печах длительного го­рения, для приготовления пищи в полевых условиях и других це­лей [107].

Каменноугольный кокс. Важнейший внд искусственного твердого топлива — кокс, получаемый нз каменных углей прн конечной темпера­туре процесса коксования около 1000 °С.

Для производства кокса применяют спекающиеся каменные углн. В шихту для коксования часто вводят также менее дефицитные тощне и газовые угли.

В процессе коксования из 1 т сухой массы угля получают около 750—800 кг кокса, 300—330 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 27%) в кокс пере­ходит около 86% С, 60% S, 45% N, 7% Н н 5% О, содержащихся в перерабатываемом угле [108].

В процессе производства чугуна из железной руды в доменных пе­чах кокс используют в качестве топлива и восстановителя. Окись угле­рода, образующаяся в результате взаимодействия СОг с углеродом кок­са, восстанавливает в доменном процессе окислы железа, а непрореа — гировавшая в печи окись углерода переходит в доменный газ, исполь­зуемый на металлургических заводах для высокотемпературного нагрева воздуха, вдуваемого в домны, н для других целей. В соответствии с этим, чтобы повысить образование СО в доменном процессе, стремятся увеличить поверхность соприкосновения СОг с С и применять домен­ный кокс (КД) пористостью 50% илн выше.

192

В отличие от доменного процесса в вагранках, кокс используют только в качестве топлива для плавления чугуна. Эндотермический про­цесс образования СО в результате взаимодействия СОг с углеродом кок­са в этом случае нежелателен, так как снижает температуру в вагран­ке. Кроме того, ваграночные газы, в отличие от доменных, обычно не сжигают, а выпускают в атмосферу, вследствие чего образование окиси углерода в процессе плавки чугуна в вагранках обусловливает потери гепла (из-за химической неполноты сгорания топлива) и загрязнение воздушного бассейна токсичной окисью углерода.

Для уменьшения образования окиси углерода в вагранках приме­няют менее реакционноспособный литейный кокс (КЛ) с пористостью не более 42%.

Механическую прочность кокса устанавливают по испытанию во вращающемся барабане согласно ГОСТу 8929-75. После 100 оборотов барабана, вращающегося со скоростью 25 об/мин, кокс подвергают си­товому анализу и определяют выход крупного кокса с размером кусков более 40 мм (М40) и коксовой мелочи размером менее 10 мм (М10).

ГОСТ 18686-73 регламентирует прочность доменного ‘кокса из донец­ких каменных углей и содержание в донецком коксе, % (по массе): до 2 серы, до 10,5 золы, до 5 влаги.

Механическая прочность доменного кокса из углей восточных райо­нов регламентируется ГОСТам 13898-68.

Предельная механическая прочность литейного кокса (КЛ) регла­ментируется ГОСТом 3340-71: I группа — М40=75%, М10=12%; II группа —М40 = 68%,М10 = 12%.

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 высокой пори­стости) меньше истинной примерно в 2 раза и меньше кажущейся по­ристости угля. Насыпная масса кокса равна 400—500 кг/м3. Она воз­растает с уменьшением пористости и размера кусков кокса.

Качество металлургического кокса в большой степени зависит от его состава. Крайне отрицательно на качество кокса влияет присутствие фосфора, переходящего в выплавляемый чугун и повышающего его хрупкость в холодном состоянии. Содержание фосфора ухудшает также ударную вязкость стали.

Почти весь фоофор, содержащийся в угле, в процессе коксования переходит в кокс. Поэтому фосфористость кокса обусловлена содержа­нием фосфора в угле. Кокс из донецких углей содержит около 0,015— 0,02% Р. Значительно больше фосфора (0,03—0,05%) в коксе из куз­нецких углей.

Весьма важная характеристика доменного и литейного кокса — 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 (СаСОз, MgCOs), химически связывающих серу, содержащуюся в коксе и переводящих ее в шлаки.

Увеличение количества флюсов требует в свою очередь повышения расхода топлива на их плавление. Повышение содержания серы в до­менном коксе на 1% обусловливает увеличение расхода флюсов при­мерно на 15% и кокса на 15—20%. Вследствие этого существенно сни­жается производительность доменных печей.

При коксовании каменного угля в кокс переходит около 60% серы, содержащейся в угле. Кокс из малосернистых углей Кузнецкого бас­сейна содержит 0,4—0,5% S, кокс ив карагандинских углей 0,7—0,8% S, донецкий кокс 1,7—1,8% S.

Крайне нежелательный компонент кокса — также минеральная мас­са, образующая золу при сжигании кокса. Повышенная зольность кокса

7 М. Ь. Равич 193

Вызывает увеличение расхода флюсов и топлива, а также снижение про­изводительности печей. Зольность кокса примерно на 30% превышает зольность исходного угля. Зольность кокса из донецких углей около 10%, кузнецкого кокса 11%, карагандинского 13%. Увеличение золь­ности кокса на 1% обусловливает повышение расхода кокса примерно на 2—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, %: 96 С*; 1 Sr; 0,5 Нг; 1,5 Ог; 1 №. Низшая теплота сгорания горю­чей массы кокса 7750 ккал/кг.

При зольности кокса около 10% и влажности 3% состав рабочей массы кокса примерно следующий, %: 83,0 CP; 1 SP; 0,5 ДО; 1,5 О; * 1 Np; 10 Лр; 3 Низшая теплота сгорания кокса этого состава равна 6800 ккал/кг; жаропроизводительность около 2200 °С; низшая теплота сгорания, отнесенная кім3 сухих продуктов полного сгорания без из­бытка воздуха, около 910 ккал/м3; максимальное содержание CO2 + SO2 в сухих продуктах сгорания (ЯОипах) около 20,8%.

Отношение объемов сухих и влажных продуктов сгорания кокса В характеризуется следующими величинами:

Металлургический кокс влажностью 3% Коксовый орешек влажностью 10% Коксовая мелочь влажностью 15%

В 1974 г. в СССР произведено около 83 млн. т кокса [4]. Из этого количества около 85% использовано в доменном процессе, 6% — в ваг­ранках, 4%—в цветной металлургии; остальное количество—для производства карбида кальция, газификации и других целей.

Производство кокса связано с крупными капиталовложениями и экс­плуатационными расходами. Поэтому большое народнохозяйственное значение имеет замена кокса другими, более дешевыми видами топли­ва. С развитием газовой промышленности в доменных печах и вагран­ках в СССР наряду с коксом широко применяют природный газ. Воз­можна также частичная замена кокса в доменном процессе коксовым газом, мазутом и угольной пылью.