При нагревании твердого топлива без доступа воздуха происходит раз­ложение горючей массы топлива и выделение летучих веществ, состоящих из СО, С02, Н2, СН4 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 пла — мепи 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° (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° получают газ в количестве— 20% от веса сухой массы топлива,

— 7% смолы, 50% подсмольной воды, т. е. водного раствора метилового спирта (СН3ОН), ацетона (СН3СОСНэ) и уксусной кислоты (СНэСООН), 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.

В табл. 73 приведены примерный состав и теплота сгорапия горючей массы древесного угля в зависимости от температуры сухой перегонки дре­весины [96].

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 сгорапия и жаропроизводи — тельности (табл. 74).

Теплота сгорания горючей массы древесного угля превышает теплоту сгорания горючей массы древесины на 60—80%, а теплота сгорания рабочей массы древесного угля примерно в три раза выше теплоты сгорапия дров, содержащих 40% влаги. Благодаря высокой теплоте сгорания древесный уголь является, в отличие от дров, значительно более транспортабельным видом топлива. Жаропроизводительность древесного угля (2150") превы­шает жаропроизводительность дров (с IV = 40%) более чем па 500е, 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 жаропроизводи — телыюсти [12].

Важным отличием древесного угля от каменных углей и антрацита яв­ляется отсутствие в первом серы, благодаря чему древесный уголь является весьма цепным топливом для выплавки высококачественного металла. Од­нако значительно большая стоимость древесного угля по сравнению с ка­менноугольным коксом препятствует сколько-нибудь широкому его приме­нению в металлургии.

Следует отметить также высокую пористость древесного угля (около 80%), позволяющую использовать его в качестве адсорбента в ряде техноло­гических процессов.

Торфяной полукокс. При нагревании торфа до температуры 550° отго­няется около 250 м3 полукоксового газа (швельгаз) и 90—100 кг первичной смолы на 1 т сухой массы торфа. Выход обуглероженного остатка полу­кокса составляет около 400 кг. Состав торфяного полукокса зависит от тем­пературы полукоксования и состава перерабатываемого торфа. Примерный состав полукокса (в %): Сг = 86; Нг = 3; Ог — f — Nr = 11.

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

Пористость торфяного полукокса 45—55%, вес 1 м3 330—390 кг, удель­ный вес кажущийся 0,9—1,1, действительный удельный вес 1,7—1,8, тем­пература воспламенения — 350°.

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

Жаропроизводительность полукокса tm! lx около 2100°; низшая теплота сгорания, отнесенная к 1 нм3 сухих продуктов сгорания Р, — 900 ккал/нм3.

R02max; сухих продуктов сгорания — около 20%.

Буроугольный и каменноугольный полукокс. В процессе полукоксования бурых и каменных углей при конечной температуре процесса 550—580° получают 60—80 м3 газа на 1 m 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; — 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 малым насыпным весом (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.

Разновидностью полукокса являются карбонизированные брикеты.

Жаропроизводительность полукокса около 2100°.

Карбонизированные брикеты. При изготовлении карбонизированных брикетов бурый уголь измельчают, высушивают и брикетируют под давле­нием около 1000 кГ/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 на промышленных установках. Отгоняемый горю­чий газ используют для отопления сушильных установок 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 высоко — реакционноспособного топлива смешивают со связующим и подвергают брикетированию.

Полученные весьма непроч­ные брикеты, горящие с обра­зованием сажистого пламени,, подвергают термической обра­ботке 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 000° и выше, обладают достаточной прочностью и сго­рают без образования искр, пламени и дыма.

Ценность брикетов в каче­стве топлива для бытовых пот­ребителей и ряда других обла­стей применения можно значи­тельно повысить путем их ка­талитической активации.

Активированные брикеты легко зажигаются и полностью сгорают даже в том случае, когда одиночный брикет горит на открытом воздухе, т. е. ког­да горение осуществляется не в слое топлива и без применения топки или очага горения [98].

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

В качестве катализаторов, обеспечивающих значительное повышение реакционной способности брикетов и полноту их сгорания, используют гид­раты или карбонаты натрия или калия, вводимые в состав брикетируемой

Шихты в количестве около 3% по весу.

Аналогичный эффект достигается при введении 4% NaCl, KCl или дре­весной золы, содержащей значительное количество К2С03.

На рис. 17 приведены фотографии брикетов, активированных Na2C03, NaCl, CaO и MgO, через 5 мин (рис. 17, а), через 10 мин (рис. 17, б) и через 15 мин после зажигания (рис. 17, 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 горения брикетов массой порядка 700 г можно растянуть на 6— 10 час без опасения, что зажженные брикеты погаспут. 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 [98].

Каменноугольный кокс. Важнейшим видом искусственного твердого
топлива является кокс, получаемый из каменных углей при конечной темпе­ратуре процесса коксования около 1000°.

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

В процессе коксования из 1 »г 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% углерода, 60% серы, 45% азота, 7% водорода и 5% кислорода, содержащихся в перерабатываемом угле [99].

В процессе производства чугуна из железной руды в доменных печах кокс используют в качестве топлива и восстановителя. Окись углерода, об­разующаяся в результате взаимодействия С02 с углеродом кокса, восста­навливает в доменном процессе окислы железа, а непрореагировавшая в лечи 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 СО в доменном процессе стремятся увеличить поверхность соприкосно­вения С02 с С и применять доменный кокс (КД) пористостью 50% или выше.

В отличие от доменного процесса в вагранках кокс используют только в качестве топлива для плавления чугуна. Эндотермический процесс образо­вания СО в результате взаимодействия С02 с углеродом кокса является в этом случае нежелательным, он 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 тепла (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 ?о.

Механическую прочность кокса устанавливают по испытанию во вращаю­щемся барабане согласно ГОСТ 8929-58. 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).

Согласно ГОСТ 513-63, доменный кокс из донецких углей разделяется по прочности на три группы: I группа — М40 = 80%, М10 = 8%; II груп­па — М40 = 75% и М10 = 9%; III группа — М40 = 70% и М10 =10%.

Механическая прочность доменного кокса из углей восточных районов регламентируется ГОСТ 2014-53 и др.

Предельная механическая прочность литейного кокса (КЛ) регламенти­руется ГОСТ 3340-60: I группа — М40 = 75% и М10 =10%; II группа — М40 = 68% и М10= 12%.

Истинная плотность кокса, измельченного до раскрытия наиболее тон­ких пор, равна 1,8—2 г/см3, она значительно превышает плотпость 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. Содержание фосфора ухудшает также ударную вязкость стали.

Почти весь фосфор, 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% фосфора. Значительно больше фосфора (0,03—0,05%) в коксе из кузнецких углей.

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 (СаС03, MgCOg), 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 серы 0,4—0,5%, кокс из карагандинских углей — 0,7—0,8% до­нецкий кокс — 1,7—1,8%.

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. Зольность кокса из донецких углей около 10%, кузнецкого кокса — 11%, карагандинского — 13%. 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 %): Сг = 90, Sr = 1, Нг= 0,5, Ог = 1,5, Nr = 1,0. Низшая теплота сго­рания горючей массы кокса — 7750 ккал/кг.

При зольности кокса около 10% и влажности 3% состав рабочей массы кокса примерно следующий (в %): Ср = 83,0, S? = 1,0, Нр = 0,5, Ор = = 1,5, № = 1,0, Ар = 10,0, WT = 3,0. Низшая теплота сгорания кокса этого состава равна — 6800 ккал/кг; жаропроизводительность — около 2200°; низшая теплота сгорания, отнесенная к 1 нм3 сухих продуктов полного сго­рания без избытка воздуха,— около 910 ккал/нм3 максимальное содержание С02 + S02 в сухих продуктах сгорания (R02max) — около 20,8%.

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

TOC o "1-5" h z Металлургический кокс влажностью 3 % 0,97

Коксовый орешек влажностью 10% 0,96

Коксовая мелочь влажностью 15% 0,95

В 1968 г. в СССР произведено около 70 млн. т кокса [1]. 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 пылыо.