Основы технологии улавливания и переработки химических продуктов коксования

Åêàòåðèíáóðã
Èçäàòåëüñòâî Óðàëüñêîãî óíèâåðñèòåòà
2018

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

Т. М. Сабирова

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ
УЛАВЛИВАНИЯ И ПЕРЕРАБОТКИ
ХИМИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ
КОКСОВАНИЯ

Учебное пособие

Рекомендовано
методическим советом Уральского федерального университета
в качестве учебного пособия для студентов вуза, обучающихся
по направлению подготовки 18.03.01 «Химическая технология»

© Уральский федеральный университет, 2018

Р е ц е н з е н т ы:
лаборатория улавливания химических продуктов коксования 
Восточного научно-исследовательского углехимического института 
(и. о. заведующего лабораторией кандидат технических наук, 
старший научный сотрудник Г. Д. Т р е т ь я ко в а;
В. А. Т и т у ш к и н, кандидат технических наук, 
старший научный сотрудник 
лаборатории переработки каменноугольной смолы 
Восточного научно-исследовательского углехимического института

Н ау ч н ы й  р е д а к т о р
Н. А. Т р е т ь я ко в а, кандидат химических наук, доцент
(Уральский федеральный университет)

УДК 662.74:502.174(075.8)
ББК 35.512.303я73
 
С12

Сабирова, Т. М.
Основы технологии улавливания и переработки химических 
продуктов коксования : учеб. пособие / Т. М. Сабирова ; [науч. 
ред. Н. А. Третьякова] ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 
2018. — 154 с.

ISBN 978-5-7996-2343-2

В учебном пособии кратко изложена суть основных переделов коксохимических предприятий в части улавливания, переработки и использования 
продуктов коксования в народном хозяйстве, позволяющая получить необходимые знания для начала работы специалиста в этой отрасли и дальнейшего 
углубленного изучения предмета.
Предназначено для студентов бакалавриата, изучающих дисциплины, 
связанные с переработкой твердых природных энергоносителей.

С12

УДК 662.74:502.174(075.8)
ББК 35.512.303я73

ISBN 978-5-7996-2343-2

На обложке:
цех улавливания химических продуктов коксования 
металлургического комбината

ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ

Технология улавливания и переработки химических продуктов 
коксования — это слож ный многостадийный процесс, отличающийся в мировой практике многообра зием реализованных вариантов 
и постоянно усовершенствующийся.
Химические продукты коксования имеют большое значение как 
источник сырьевой базы для химической и других отраслей промышленности, что обу словлено масштабностью коксохимического 
производства, широким ассорти ментом выпускаемой продукции и, 
в ряде случаев, ее уникальностью. 
Коксо химические продукты используются в качестве промежуточных продуктов для анилинокрасочной промышленности, 
связующих в производстве электродов, шпалопропиточного масла, 
строительных материалов, сырья для производства технического 
углерода (сажи), удобрений, пестицидов (коллоидной серы и др.), 
лекарственных препаратов, базовых продуктов в производстве полимеров и т. д. 
Назначение учебного пособия — из большого объема накопленных теорети ческих и практических знаний выделить основы, 
необходимые для формирова ния у будущих специалистов общего 
представления об особенностях техноло гических процессов улавливания и переработки химических продуктов коксо вания. 
Учебное пособие составлено в соответствии с программой обучения уровня бакалавриата по направлению подготовки «Химическая технология».

ÏÅÐÅ×ÅÍÜ ÑÎÊÐÀÙÅÍÈÉ

АВОГ — аппарат воздушного охлаждения газа
АВОМ — аппарат воздушного охлаждения масла
БТК 
— бензол — толуол — ксилол (фракция сырого бензола)
БУ 
— бензольные углеводороды
БХО 
— биохимическая очистка
БХУ 
— биохимическая установка
ГДМ 
— газодувная машина (эксгаустер, нагнетатель)
ДАФ 
— диаммонийфосфат
ИКС 
— инден-кумароновая смола
КГ 
— коксовый газ
КГХ 
— конечный газовый холодильник
КУ 
— каменноугольный 
КУС 
— каменноугольная смола (смола)
КХ 
— коксохимический 
КХП 
— коксохимическое производство
МАФ 
— моноаммонийфосфат 
ПАВ 
— поверхностно-активное вещество
ПАС 
— пароаммиачная смесь
ПАУ 
— полициклические ароматические углеводороды
ПГХ 
— первичный газовый холодильник
ПО 
— пиридиновые основания
СА 
— сульфат аммония
СБ 
— сырой бензол
СВГ 
— сероводородный газ
СПЦ 
— смолоперерабатывающий цех
ХПК 
— химические продукты коксования
ЦУ 
— цех улавливания

1. ÂÂÅÄÅÍÈÅ Â ÄÈÑÖÈÏËÈÍÓ

1.1. Характеристика твердых природных 
энергоносителей

К твердым природным энергоносителям (горючим ископаемым) 
относятся торф, горючие сланцы, каменные и бурые угли. В настоящее время торф не считают горючим ископаемым в связи с большей 
целесообразностью его при менения в сельском хозяйстве. 
Го р ю ч и й  с л а н е ц  — полезное ископаемое из группы 
твердых каустобиолитов, состоит из преобладающих минеральных 
и органических частей (кероген), содер жание последней от породы 
колеблется в пределах от 10 до 70 % (масс.). Считается, что сланцы 
образовались сотни миллионов лет назад на дне моря из остатков 
планктона. 
При нагреве сланцев без доступа воздуха (сухая перегонка) образуются жидкие и газообразные углеводороды (20–70 % от первоначальной массы). Жидкие углеводороды представляют собой сланцевое 
масло — смолу, которая близка по составу нефтяным углеводородам 
и, по сути, может считаться нетра диционной (сланцевой) нефтью. 
По ориентировочным расчетам общемировые потенциальные 
запасы горючих сланцев превышают 450 трлн т. Из сланцев добывают нефть и газ. Самые мощные месторождения располо жены 
в Бразилии («Ирати») и США («Грин-Ривер»). Крупные месторождения горючих сланцев находятся на территории России, Эстонии, 
Беларуси, Казах стана и Узбекистана. 
В РФ запасы горючих сланцев оцениваются в 1,9 трлн т. После 
распада СССР многие шахты и карьеры сланцевой отрасли из-за 
нерентабельности были закрыты. В настоя щее время незначительный объем добываемых в России горючих сланцев поставляется 
на элек тростанции Эстонии. 

Добычу керогеновой (сланцевой) нефти ведут с помощью 
термического воздействия на кероген, которое может проводиться 
двумя способами: 1) обыч ным шахтным с последующей перегонкой; 2) добычей в пласте, когда нагре вание производится непосредственно под землей. При сгорании горючие сланцы выделяют 
тепло, а при термическом разложении — горючие газы, под смольные 
воды и сланцевое масло, которое является аналогом тяжелой нефти 
и используется как топливо вместо мазута. Оба процесса сопровождаются обра зованием золы.
Б у р ы й  у г о л ь  — это наиболее молодой из ископаемых углей, 
образовавшийся из торфа. Он содержит 65–70 % углерода и 20–43 % 
воды, имеет низкую теплоту сгорания из-за высокого содержания 
воды. Содержание летучих веществ в бу ром угле составляет около 
50 %.
Переработка бурого угля. Бурый уголь является менее ценным, 
чем камен ный. Однако месторождений бурого угля на планете 
больше, чем каменного и залегает он на меньшей глубине. Высокое 
содержание влаги и мелочи затруд няет сжигание бурого угля в бытовых печах и котлах коммунальных котель ных. Тем не менее черный 
лигнит (суббитоминозный бурый уголь) является одним из самых 
применяемых видов энергетического топлива на электростан циях, 
в теплоэнергетике и промышленном производстве. 
Бурый уголь используется в качестве химического сырья для 
получения жидкого топлива, разных синтетических веществ, удобрений и газа, а в брикетированном виде — для коммунальных нужд. 
Извлеченные из бурого угля вещества — гуматы считаются хорошим 
органическим удобрением для чернозе мов. Синтетический или 
генераторный газы (смесь СО и Н2) являются идеаль ным сырьем 
для производства продуктов органической химии, в том числе, различных видов моторного топлива второго поколения. 
К а м е н н ы й  у г о л ь  — это наиболее значительное по сырьевой ценности твердое горючее ископаемое, представляющее собой 
осадочную породу, образовавшуюся при разложении остатков растений (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых 
голосеменных растений). Основная часть добываемых в настоящее 
время каменных углей образовалась примерно 300–350 миллионов 

лет тому назад. В среднем сжигание 1 кг угля приводит к выделению 2,93 кг CO2 и по зволяет получить 23–27 МДж (6,4–7,5 кВт · ч) 
энергии или, при КПД 30 % — 2,0 кВт · ч электричества. Ископаемые угли отличаются друг от друга соотношением слагающих их 
компонентов, определяющим их теплоту сгорания. Содержание 
углерода в ка менном угле, в зависимости от его сорта, колеблется 
в пределах от 75 до 95 %. 
Для характеристики твердых горючих ископаемых, как сырья 
для терми ческой переработки, разработаны показатели, каждый 
из которых количественно описывает определенный признак, 
отличающий данное топливо от других. По совокупности таких 
показателей прогнозируют его возможное поведение в условиях 
термической переработки, пригодность к использованию в определенном технологическом процессе, а также выход, состав и свойства полу чаемых продуктов в зависимости от условий процесса. 
В табл. 1 приведен список стран, наиболее значимых по запасам каменных и бурых углей по состоянию на 2013 г. 

Таблица 1 
Характеристика мировых запасов углей

Страна
Запасы каменного 
угля, млн т
Запасы бурого
угля, млн т

Всего запасы угля 

млн т
%

США
108 501
128 794
237 295
26,62

Россия
49 088
107 922
157 010
17,61

КНР
62 200
52 300
114 500
12,84

Австралия
37 100
39 300
76 400
8,57

Индия
56 100
4 500
60 600
6,80

По добыче угля  первое место в мире занимает Китай – 
3 680 млн т (46,6 %); второе — США — 892,6 млн т (11,3 %); третье — Индия — 605,1 млн т (7,66 %). Россия находится на шестом 
месте — 347,1 млн т (4,4 %). 
Переработка каменного угля. В XIX и начале XX в. каменный 
уголь был основным источником энергии и химического сырья. 

В 1960 г. он обеспечи вал около половины мирового производства 
энергии, однако уже к 1970 г. его доля в этих отраслях упала до одной 
трети. Начиная с 30-х гг. и особенно в 40–70-е гг. XX в. на первое 
место в топливно-энергетическом балансе России и развитых зарубежных стран вышли нефть и природный газ. Их пре имущества 
перед углем заключаются в следующем:
— в отсутствии балласта, а именно, в низкой зольности и воды;
— большей теплоте сгорания и лучшей транспортабельности;
— возможности быстрого наращивания производства жидких 
топлив и хи мического сырья с меньшими, чем при использовании 
угля, затратами. 
Однако в связи с увеличением стоимости нефти и постепенным 
истощением наиболее богатых ее источников в 80–90-е гг. ХХ в. начался период реали зации новых многотоннажных технологических 
процессов переработки угля и других твердых горючих ископаемых. 
Доля угля в топливном балансе вновь начала возрастать, наряду 
с развитием работ по производству из него новых продуктов, включая жидкие синтетические и газообразные топлива. 
С учетом предмета данного курса изучаемые процессы химической техно логии посвящены улавливанию и переработке продуктов, 
получаемых в про цессе термической переработки каменного угля 
без доступа воздуха — коксования. 

1.2. Особенности термопереработки 
каменного угля коксованием 

При постепенном нагревании угольной шихты в печах без доступа воздуха до 500–600 °С (режим полукоксования) происходит 
выделение из угля первичных продуктов разложения в виде паров 
и газов. При этом сначала испаряется влага шихты, затем уголь начинает размягчаться, плавиться и снова затвердевает. При дальнейшем 
нагревании (высокотемпературное коксование) выделившиеся в камерах печей первичные продукты разложения угля под дей ствием 
температур 1 000–1 100 °С претерпевают ряд последующих превращений, образуя вторичные продукты разложения угля, являющиеся 
типичными для этого процесса. 

В результате коксования в камерах коксовых печей остается 
кокс, а летучие химические продукты в виде сложной парогазовой 
смеси, называемой коксо вым газом (КГ), поступают в газосборник. 
При последующем охлаждении и обработке КГ из него извлекаются 
смола, аммиак, цианистый водород, серово дород, нафталин, сырой 
бензол, вода и др. 
Происхождение воды в процессе коксования имеет двойственную природу. Большая часть воды — это испарившаяся влага 
угольной шихты, загруженной в печь, а меньшая часть — это вода, 
образующаяся в результате высокотемпера турного разложения 
(пиролиза) и превращения органического вещества угля. Эту влагу 
называют пирогенетической. 
Важным показателем углей, отличающим их друг от друга, является выход летучих веществ, образующихся при их нагревании 
без доступа воздуха по оп ределенной методике. Установлено, чем 
моложе уголь, тем больше у него вы ход летучих веществ, а также 
большее содержание внутренней влаги. 

1.2.1. Состав и выход летучих продуктов коксования 

Выход и состав летучих продуктов зависит от условий термической перера ботки и природы коксуемых углей. Средний выход 
основных продуктов коксования следующий, % (масс.):
— кокс 
73–78;
— КГ (после очистки) 
16–18;
— смола 
2,5–4,5;
— пирогенетическая влага 
2–4;
— сырой бензол 
0,8–1,1;
— сернистые соединения 
0,2–1,5;
— аммиак 
0,25–0,4.

1.2.2. Исходный состав примесей в коксовом газе

Выделившийся из печей КГ до переработки называется прямым 
и содержит следующее количество основных веществ, г/м3 (20 °С):
— водяных паров 
250–450;

— паров смолы 
80–150;
— ароматических углеводородов 
22–45;
— аммиака 
5–13;
— цианистых соединений 
0,5–3,0;
— пиридиновых оснований 
0,4–0,6; 
— нафталина 
5–10; 
— сероводорода 
5–40;
—  соединений серы (CS2, тиофена и др.) 2–2,5.
КГ, прошедший всю очистительную улавливающую аппаратуру 
КХП, назы вается обратным и имеет следующий состав, % (об.):
— водород (Н2) 
54–59;
— метан (СН4) 
23–28;
— тяжелые углеводороды 
 
(CnHm — этан, пропан и др.) 
2–3;
— окись углерода (СО) 
5,5–7;
— двуокись углерода (СО2)  
1,5–2,5;
— азот (N2) 
3–5;
— кислород О2 
0,3–0,7.
В расчете на 1 т сухой шихты выход КГ, приведенного к нормальным усло виям (0 °С и 760 мм рт. ст.), обычно составляет 300–320 м3.
В обратном КГ содержится незначительное количество неуловленных веществ: бен зола, нафталина, сернистых, цианистых и др., 
содержание которых регламентируется требованиями потребителей. 

1.3. Основные способы улавливания 
хими ческих продуктов коксования

По массе среди продуктов коксования коксовый газ (КГ) занимает второе место после кокса и первое среди летучих продуктов. 
Техно логия улавливания и переработки химических продуктов 
коксования заключа ется в охлаждении и обработке большого объема насыщенного парами воды токсичного и взрывоопасного КГ, 
находящегося под давлением, незначительно отличающимся от атмосферного. 
Отсос и транспортирование КГ осуществляются центробежными газодув ными машинами (ГДМ), работающими либо