Кокс (топливо) - Википедия - Coke (fuel)
Кокс серый, жесткий и пористый топливо с высоким углерод содержание и несколько примеси, сделанное нагреванием каменный уголь или же масло при отсутствии воздуха - деструктивная перегонка процесс. Это важный промышленный продукт, используемый в основном в железная руда плавка, но и как топливо в печи и кузницы когда загрязнение воздуха вызывает беспокойство.
Безоговорочный термин «кокс» обычно относится к продукту, полученному из малозольных и малосернистых продуктов. битуминозный уголь процессом, называемым коксование. Аналогичный продукт под названием нефтяной кокс, или нефтяной кокс, получают из сырая нефть в нефтеперерабатывающие заводы. Кокс также может образовываться естественным путем геологический процессы.[1]
История
Китай
Исторические источники, относящиеся к 4 веку, описывают производство кокса в древний Китай.[2] Китайцы впервые использовали кокс для отопления и приготовления пищи не позднее IX века.[нужна цитата ] К первым десятилетиям XI века китайские металлисты в Желтая река Valley начали заправлять свои печи коксом, решая свои проблемы с топливом в этом малолесном регионе.[3]
Британия
В 1589 году Томас Проктор и Уильям Петерсон получили патент на производство железа и стали и плавка свинца с «земляным углем, морским углем, торфом и торфом». В патенте содержится отчетливый намек на получение угля путем «варки». В 1590 г. патент был выдан Декан Йорка чтобы «очистить каменный уголь и избавить его от неприятного запаха».[4] 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 столь же полезные, как уголь для сжигания в домах, без запаха или дыма.[5]
В 1603 г. Хью Плат предположил, что уголь можно обугливать аналогично тому, как уголь изготавливается из дерева. Этот процесс не применялся до 1642 года, когда для обжига стали использовать кокс. солод в Дербишир; раньше пивовары использовали древесину, так как некоксованный уголь нельзя использовать в пивоварении, потому что его сернистые пары придавали неприятный привкус пиву. пиво.[6] 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 бледный эль.[5]
В 1709 г. Авраам Дарби I установил коксовый доменная печь производить чугун. Превосходная прочность кокса на раздавливание позволяла доменным печам становиться все больше и больше. Как следствие, доступность недорогих утюг был одним из факторов, приведших к Индустриальная революция. Раньше при производстве железа использовалось большое количество древесного угля, полученного путем сжигания древесины. Поскольку копирование лесов стали неспособны удовлетворить спрос, замена кокса древесным углем стала обычным явлением в Великобритании, и кокс производился путем сжигания угля в кучах на земле, так что горел только внешний слой, оставляя внутреннюю часть кучи в обугленном государственный. В конце 18 века кирпич ульевые печи были разработаны, что позволило лучше контролировать процесс горения.[7]
В 1768 г. Джон Уилкинсон построили более практичную печь для превращения угля в кокс.[8] Уилкинсон улучшил процесс, построив угольные отвалы вокруг низкой 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.[9]
В 1802 г. рядом с г. Шеффилд для коксования шва 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.[9]
В первые годы паровозы Кокс был нормальным топливом. Это стало результатом принятия раннего экологического законодательства; любой предложенный локомотив должен был «потреблять свой дым».[10] Это было технически невозможно до тех пор, пока арка топки начали использоваться, но сжигание кокса с его низким уровнем дымовыделения было сочтено 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.[нужна цитата ] Другие побочные продукты производства кокса включали смолу и аммиак, в то время как кокс использовался вместо угля в варочных плитах и для обеспечения тепла в жилых помещениях до появления центральное отопление.
Соединенные Штаты
В США первое использование кокса в чугунной печи произошло примерно в 1817 году на пудлинговой печи и прокатном стане Исаака Мисона Plumsock в г. Fayette County, Пенсильвания.[11] В конце 19 века угольные месторождения из Западная Пенсильвания обеспечил богатый источник сырья для коксования. В 1885 году Rochester and Pittsburgh Coal and Iron Company[12] построил самую длинную в мире линию коксовых печей в Уолстон, Пенсильвания, с 475 печами на длине 2 км (1,25 мили). Их выпуск достиг 22000 тонн в месяц. В Коксовые печи Minersville в Округ Хантингдон, Пенсильвания, были перечислены на Национальный реестр исторических мест в 1991 г.[13]
В период с 1870 по 1905 год количество ульевиков в США резко возросло с 200 до почти 31 000, в результате чего только в районе Питтсбурга было произведено около 18 000 000 тонн кокса.[14] Один наблюдатель хвастался, что если погрузить его в поезд, «годовое производство составило бы поезд такой длины, что двигатель перед ним отправится в Сан-Франциско и вернется в Коннеллсвилл до того, как камбуз выедет со дворов Коннеллсвилля! " Количество ульевых печей в Питтсбурге достигло пика в 1910 году - почти 48000.[15]
Хотя из него получалось 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», - отмечал У. Дж. Лаук из Иммиграционной комиссии США в 1911 году.[16] Проезжая по области на поезде, Университет Висконсина президент Чарльз Ван Хайз видел «длинные ряды ульевиков, из которых вырывается пламя, и густые облака дыма выходят, делая небо темным. Ночью сцена становится неописуемо яркой благодаря многочисленным горящим ямам. Ульевые печи делают весь регион производства кокса одним из тусклое небо: безрадостное и нездоровое ". [16]
Производство
Промышленные коксовые печи
Промышленное производство кокса из угля называется коксование. Уголь запекается в безвоздушном печь, «коксовая печь» или «коксовальная печь», при температурах до 2000 ° C (3600 ° F), но обычно около 1000–1100 ° C (1800–2000 ° F).[17] Этот процесс испаряет или разлагает органические вещества в угле, удаляя летучие продукты, в том числе воды, в виде уголь-газ и каменноугольная смола. Нелетучий остаток разложения представляет собой в основном углерод в виде твердого, несколько стекловидного твердого вещества, которое цементирует 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 химической продукции. сырье. В противном случае летучие побочные продукты сжигаются для нагрева коксовых печей. Это более старый метод, но он все еще используется для нового строительства.[18]
Битуминозный уголь должен соответствовать ряду критериев для использования в качестве коксующегося угля, определенных конкретными угольный пробирный техники. К ним относятся влажность, зольность, сера содержание, летучее содержание, деготь, и пластичность. Это смешение нацелено на получение кокса соответствующей прочности (обычно измеряемой прочность кокса после реакции ), теряя при этом соответствующее количество 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 может быть произведено побочных продуктов. 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 возникает в результате того же основного процесса углеобразования. Коксующийся уголь имеет разные мацералы из энергетического угля, то есть различных форм 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 по его зольности после сжигания:
- Сталь I сорта (зольность не более 15%)
- Сталь марки II (более 15%, но не более 18%)
- Степень мойки I (более 18%, но не более 21%)
- Степень стирки II (более 21%, но не более 24%)
- Степень стирки III (более 24%, но не более 28%)
- Степень стирки IV (более 28%, но не более 35%)[19]
«Домашний» процесс
«Подовой» процесс производства кокса с использованием кускового угля был сродни сжиганию древесного 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 введено Нейлсоном в Шотландии в 1828 году.[9]Подовой процесс получения кокса из угля - очень длительный процесс.[нужна цитата ]
Коксовая печь улей
Пожар кирпич камера в форме купола используется, широко известным 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, а иногда и из сотен подряд.[20]
Уголь вводится 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 происходит сверху вниз и завершается за два-три дня. Тепло поступает за счет горящих летучих веществ, 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, черепицы, покрытой гранулами, и даже в качестве удобрения.[21]
Профессиональная безопасность
Люди могут подвергаться воздействию выбросов коксовых печей на рабочем месте при вдыхании, контакте с кожей или глазами. В Управление по охране труда (OSHA) установил законный предел для воздействия выбросов коксовых печей на рабочем месте 0,150 мг / м3 бензол -растворимая фракция в течение восьмичасового рабочего дня. В Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH) установил Рекомендуемый предел воздействия (REL) 0,2 мг / м3 бензол -растворимая фракция в течение восьмичасового рабочего дня.[22]
Использует
Кокс используется как топливо и как Восстановитель в плавка железная руда в доменная печь.[23] Окись углерода, образующаяся при его сгорании, снижает оксид железа (гематит ) в производстве утюг товар ().
Кокс обычно используется в качестве топлива для кузнечное дело.
Кокс использовался в Австралии в 1960-х и начале 1970-х годов для отопления домов,[нужна цитата ] и был стимулирован для домашнего использования в Великобритании (чтобы заменить уголь) после Закона о чистом воздухе 1956 года, который был принят в ответ на Великий смог Лондона в 1952 г.
С курить -производящие компоненты удаляются во время коксования угля, кокс образует желаемое топливо для печи и печи в которых условия не подходят для полного сгорания битуминозный уголь сам. Кокс можно сжигать, образуя мало дыма или вообще не давая, в то время как битуминозный уголь выделяет много дыма. Кокс широко использовался как бездымное топливо заменитель угля в бытовом отоплении после создания "бездымные зоны "в Соединенном Королевстве.
Винокурня Highland Park в Оркнейские острова обжаривает солодовый ячмень для использования в Шотландский виски в печи сжигание смеси кокса и торф.[24]
Кокс может быть использован для производства синтез-газа, смеси монооксид углерода и водород.
- Синтез-газ; водяной газ: смесь окиси углерода и водорода, полученная путем пропускания пара над раскаленным коксом (или любым углем на основе углерода)
- Производитель газа (всасываемый газ); древесный газ; генераторный газ; синтетический газ: смесь окиси углерода, водорода и азот, полученный путем пропускания воздуха над раскаленным коксом (или любым углем на основе углерода)
- Коксовый газ, вырабатываемый коксовыми печами, похож на синтез-газ с 60% водорода по объему.[25] Водород можно экономично извлекать из коксового газа за различные виды использования (включая производство стали).[26]
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.[27] В последние годы изучаются различные методы его лечения.[28][29][30] Грибок белой гнили Phanerochaete chrysosporium может удалить до 80% фенолы из коксование Сточные Воды.[31]
Характеристики
Масса удельный вес кокса обычно составляет около 0,77. Это очень пористый.
Наиболее 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. Связанная характеристика - это Прочность кокса после реакции (CSR) индекс; 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 его часто гасят 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.
Битумный уголь должен соответствовать ряду критериев использования в качестве коксующегося угля, определенных угольный пробирный техники.
Другие процессы
Твердый остаток, оставшийся от рафинирования нефть посредством "треск «процесс также является формой кокса. нефтяной кокс имеет множество применений помимо топлива, например, для производства сухие клетки и из электролитический и сварочные электроды.
Производство газовых заводов синтез-газ также производят кокс в качестве конечного продукта, называемого газовым коксом.
Коксование в текучей среде - это процесс, при котором тяжелая остаточная нефть превращается в более легкие продукты, такие как нафта, керосин, топочный мазут, и углеводород газы. Термин «жидкость» относится к тому факту, что твердые частицы кокса ведут себя как жидкое твердое вещество в процессе непрерывного флюидного коксования по сравнению с более старым периодическим процессом замедленного коксования, когда твердая масса кокса со временем накапливается в коксовом барабане.
Смотрите также
Рекомендации
- ^ B. Kwiecińska и H. I. Petersen (2004): «Классификация графита, полуграфита, природного кокса и природного угля - система ICCP». Международный журнал угольной геологии, том 57, выпуск 2, страницы 99-116. Дои:10.1016 / j.coal.2003.09.003
- ^ Наступление эпохи стали. Brill Archive. 1961. с. 55. GGKEY: DN6SZTCNQ3G. В архиве из оригинала 1 мая 2013 г.. Получено 17 января 2013.
В исторических источниках упоминается использование кокса в четвертом веке нашей эры.
- ^ Макнил, Уильям Х. Погоня за властью. University of Chicago Press, 1982, стр. 26, 33 и 45.
- ^ «CCHC - ваш портал в прошлое». Центр наследия угля и кокса. Пенн Стейт Файет, кампус Эберли. Архивировано из оригинал 23 мая 2013 г.. Получено 19 марта 2013.
- ^ а б Пекхэм, Стивен (1880). Специальные отчеты о нефти, коксе и строительных камнях. Бюро переписи населения США. 10-я перепись. п. 53.
- ^ Нерсесян, Рой Л. (2010). «Уголь и промышленная революция». Энергия 21 века (2-е изд.). Армонк, Нью-Йорк: Шарп. п. 98. ISBN 978-0-7656-2413-0.
- ^ Купер, Эйлин Маунтджой. «История кока-колы». Специальные коллекции и архивы: угольная пыль, ранняя горнодобывающая промышленность округа Индиана. Индианский университет Пенсильвании. В архиве из оригинала от 10.02.2015.
- ^ Витткофф, М. Зеленый ; Х.А. (2003). Принципы органической химии и производственная практика (1. изд., 1. переизд. Ред.). Вайнхайм: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-30289-5.
- ^ а б c Бивер, С. Х. (1951). "Производство кокса в Великобритании: исследование промышленной географии". Сделки и статьи (Институт британских географов). Королевское географическое общество (с Институтом британских географов (17): 133–48. Дои:10.2307/621295. JSTOR 621295.
- ^ 8 и 9 Викт. колпачок. 20 (Закон о консолидации железнодорожных статей 1845 года), статья 114
- ^ ДиЧиччо, Кармен. Уголь и кокс в Пенсильвании. Гаррисберг, Пенсильвания: Комиссия по истории и музеям Пенсильвании.
- ^ Дочерняя компания Железная дорога Буффало, Рочестера и Питтсбурга.
- ^ «Информационная система Национального реестра». Национальный реестр исторических мест. Служба национальных парков. 9 июля 2010 г.
- ^ Ивенсон, Ховард Н. (1942). Первый век и четверть американской угольной промышленности. Питтсбург, Пенсильвания: Waverly Press.
- ^ Уоррен, Кеннет (2001). Богатство, отходы и отчуждение: рост и упадок в коксохимической промышленности Коннеллсвилля. Питтсбург, Пенсильвания: Университет Питтсбурга.
- ^ а б Мартин, Скотт С. Убивая время: досуг и культура в юго-западной Пенсильвании, 1800–1850 гг.. Питтсбург, Пенсильвания: University of Pittsburgh Press.
- ^ «Уголь и сталь». Всемирная угольная ассоциация. 2015-04-28. В архиве из оригинала от 14.03.2012.
- ^ "Производство кокса: способ SunCoke". В архиве из оригинала от 03.06.2016.
- ^ «Марки угля» В архиве 1 февраля 2016 г. Wayback Machine, «Министерство угля»
- ^ «Производство кокса на Салемском коксохимическом заводе №1». Pathoftheoldminer. Архивировано из оригинал на 2013-07-03. Получено 2013-05-14.
- ^ «Коксовые печи». Друзья Камберлендской тропы. В архиве из оригинала от 25.06.2012.
- ^ «CDC - Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям - выбросы коксовых печей». www.cdc.gov. В архиве из оригинала от 23.11.2015. Получено 2015-11-27.
- ^ Чисхолм, Хью, изд. (1911). Британская энциклопедия. 6 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. п. 657. .
- ^ Общество скотч-солодового виски: Хайленд-парк: Где торф еще по-старому пахнет "Общество скотч-солодового виски - США". В архиве из оригинала 2011-07-16. Получено 2011-02-22.
- ^ «Различные газы в процессах производства стали». Получено 5 июля 2020.
- ^ «Производство стали сегодня и завтра». Получено 30 июн 2019.
- ^ «Новейшие решения для повторного использования сточных вод коксования, соответствующие стандартам циркуляционных систем охлаждения». www.wateronline.com. В архиве из оригинала на 2016-08-15. Получено 2016-01-16.
- ^ Джин, Сюэвэнь; Ли, Энчао; Лу, Шугуан; Цю, Чжаофу; Суй, Цянь (1 августа 2013 г.). «Очистка сточных вод коксования для целей повторного использования в промышленности: сочетание биологических процессов с ультрафильтрацией, нанофильтрацией и обратным осмосом». Журнал экологических наук. 25 (8): 1565–74. Дои:10.1016 / S1001-0742 (12) 60212-5.
- ^ Güçlü, Dünyamin; Ширин, Назан; Шахинкая, Серкан; Севимли, Мехмет Фаик (01.07.2013). «Расширенная очистка сточных вод коксования с помощью традиционных и модифицированных процессов фентона». Экологический прогресс и устойчивая энергетика. 32 (2): 176–80. Дои:10.1002 / ep.10626. ISSN 1944-7450.
- ^ Вэй, Цин; Цяо, Шуфэн; Сунь, Баочан; Дзо, хайкуй; Чен, Цзяньфэн; Шао, Лэй (2015-10-29). «Исследование очистки сточных вод, имитирующих процесс коксования, с помощью процессов O3 и O3 / Fenton во вращающемся насадочном слое». RSC Advances. 5 (113): 93386–93393. Дои:10.1039 / C5RA14198B.
- ^ Лу, Y; Ян, Л; Ван, Y; Чжоу, S; Фу, Дж; Чжан, Дж (2009). «Биоразложение фенольных соединений из сточных вод коксования иммобилизованным грибком белой гнили Phanerochaete chrysosporium». Журнал опасных материалов. 165 (1–3): 1091–97. Дои:10.1016 / j.jhazmat.2008.10.091. PMID 19062164.