Кокс [1] — нелетучий углеродистый остаток, получаемый из каменного угля посредством прокаливания в сильном жару в закрытых сосудах (как говорится — без доступа воздуха, или при самом стесненном доступе, так, чтобы не было сжигания самого угля), как объяснено в статьях: Горючие материалы и Горнозаводское топливо. Главная цель, для которой производится коксование каменного угля, т. е. работа превращения его в кокс, заключается именно в концентрации нелетучего углерода в полученном продукте, — эта цель одинакова с той, для которой производится обугливание дерева: кокс относится к каменному углю, как древесный уголь к дровам. Конечно, обугливание естественных твердых топлив, возвышая по существу их достоинство, сопряжено с необходимой предварительной затратой некоторой части того же топлива — потому что, в составе летучих продуктов, образующихся из угля при коксовании, отделяется некоторая немалая часть самого углерода и водорода [2]; но общий хозяйственный результат дела уравновешивается при этом, смотря по обстоятельствам, либо собиранием летучих продуктов для получения из них смолы и аммиака — составляющих, в свою очередь, весьма важные товары, — либо употреблением этих летучих отгонов в качестве вспомогательного топлива на самом заводе, где происходит коксование (либо, наконец, тем и другим совокупно). Потребность иметь, в качестве топлива, концентрированный нелетучий уголь вызывается, прежде всего, со стороны металлургической практики, для восстановления и выплавки металлов из руд, и более всего — для выплавки чугуна из железных руд, происходящей в доменных печах. Прямое применение каменного угля, без предварительного коксования, в этом деле не только неудобно, но иногда прямо невозможно. Среди самых обыкновенных сортов угля, находящихся между обоими крайними разрядами — антрацитом и так называемыми сухими углями с длинным пламенем, — весьма многие имеют свойства некоторой плавкости, вследствие которой куски их в жару приплавляются друг к другу и образуют сплошные глыбы. Это свойство спекаться или даже сплавляться в жару совершенно затрудняет прямое применение таких углей к доменной плавке, потому что прекращает или крайне затрудняет равномерное движение зарядов, опускающихся в доменной шахте. Кокс, добытый из таких углей, совершенно лишен такого свойства, а по своей пористости он, кроме того, с особенной выгодой для дела (а именно для реакций, происходящих в жару) увеличивает проницаемость доменного заряда для газов, на него действующих. Должно принять в расчет и то, что отделение летучих паров и газов от твердого угля перед употреблением его в домне сберегает внутри печи ту долю теплоты, которая заимствовалась бы, в противном случае, для этого газообразования от самой печи. Если, наконец, присоединить, что там, где есть потребность в наиболее высоких температурах, чрезвычайно важно употребление концентрированного нелетучего угля, и притом по возможности плотного и тяжелого, а потому дающего возможность внести в горн на каждую единицу вмещающего объема наибольшее весовое количество горючего элемента — то цели и выгоды коксования каменного угля обнаруживаются в главной части сполна. Отделение значительной части серы от угля при коксовании может быть зачтено в случайную выгоду для результата этого дела, прямо относящуюся только к некоторым сортам взятого угля. Весьма замечательно то, что работа коксования практически становится в прямую связь с самой эксплуатацией каменноугольных залежей и сбытом угля, а именно с той весьма выгодной стороны, что она дает случай обращать в первоклассный товар каменноугольную мелочь, которая, сама по себе, лишь в немногих частных случаях, и вообще в ограниченном размере, может быть прямо употреблена в топливо, и оплачивается очень дешево; между тем как весьма многие разработки на копях обильно снабжены ею (иной раз наполовину против всего добываемого из копи количества угля). Так как в отношении коксовых углей, т. е. именно таких, которые вполне пригодны к коксованию, не только безразлично, будут ли они взяты в кусках, или в зерне и даже в порошке, а предварительное измельчение их составляет именно наиболее общий прием, предшествующий коксованию, то становится ясным, какое значение для сбыта каменноугольной мелочи приобретается с введением коксования. Посредством примеси коксового угля можно распространить это значение и на те сорта угля, которые сами по себе в мелком состоянии не способны дать сплошного кокса (таким способом, например, обращается в кокс антрацитовая пыль); и вообще все нынешнее коксовое дело, в своих приемах и орудиях, поставлено таким образом, что его материалом является, главным образом, измельченный каменный уголь, и, по существу, специально коксовыми углями являются те, которые и в мелко раздробленном состоянии способны, через спекание, давать сплошной твердый кокс. С этой точки зрения можно ближе рассмотреть — какие сорта каменного угля пригодны к производству доменного или литейного кокса, и какие менее годны. Надо предпослать тому замечание, что вообще под общим именем кокса должно разуметь продукт обугливания всякого каменного угля каких бы то ни было сортов, всякий нелетучий уголь, остающийся после прокаливания каменного угля без доступа воздуха. По количеству кокса, которое остается от угля при прокаливании, а вместе с тем по виду и плотности или твердости этого кокса судят о самом сорте каменного угля, и наиболее существенная проба для последнего в лабораториях заключается, наряду с анализом, в этом пробном коксовании в малых размерах. Проба производится в объемистом платиновом тигле, аккуратно прикрытом крышкой, над 1 грамм угля, взятом в тонком порошке (о том, как производить ее, см. подробности, например у Böckmann, «Untersuchungsmethoden», I, 764). При этом оказывается — как это было бы и при опытах в большом виде, — что кокс от некоторых углей совсем порошковат (зовется тогда песчаным), и такие угли вовсе непригодны к коксованию. Таковы угли двух крайних классов или разрядов, о которых упомянуто было выше: сухие неспекающиеся угли с весьма выраженным преобладанием летучей части (или с длинным пламенем) и антрациты, в которых нелетучий углерод столь преобладает, что и в натуральном состоянии в них он как бы наиболее концентрирован против всех других углей. Чтобы из этих сортов угля получить плотный кокс в крупных кусках, надо и самый уголь брать для коксования в больших кусках, но нельзя дробить его. Кокс, полученный из крупных кусков угля этих обоих разрядов, по виду мало отличается от произведших его кусков: он удерживает форму их, и для углей 1-го разряда он только пористее, легче первоначального материала и являет более ясные трещины. Таким образом и из этих углей можно получить кокс, употребляя их в крупных кусках; но практически это совершенно излишне, потому что из сухих углей газового разряда выход кокса, в соответствии с преобладанием летучей части, слишком мал (50—60%), а антрациты сами по себе так сильно углеродисты, что годятся для доменной и всякой другой плавки прямо без коксования, и, будучи лишены способности спекаться, не причиняют завалов в домне. Отсюда рождается такого рода замечание, общее для всех углей рассматриваемых в качестве материала для коксования: угли, дающие очень большой выход кокса (от 82 до 90%), а равно и угли, дающие наименьший выход кокса (50—65%), одинаково лишены способности спекаться и не представляют подходящего материала для коксования. Пригодность угля к коксованию, таким образом, существенно связана со способностью спекаться в жару. Эта способность может быть сильнее или слабее в разных сортах; наибольшая пригодность к коксованию является у тех сортов, которые дают (при обугливании в больших размерах) 70—80% кокса. Количественная сторона дела является своеобразно связанной с качественной стороной в отношении свойств, которые сообщают углю характер настоящего коксового. Между крайними представителями антрацитового разряда и разряда молодых (позднего образования) битуминозных неспекающихся углей имеются многочисленные, неприметно друг в друга переходящие, но, в общем, весьма разнообразные сорта, которые более или менее пригодны к коксованию, и группируются в несколько (например, три) главных разрядов; среди них особо отличают класс, примыкающий непосредственно к крайнему антрацитовому ряду каменных углей — это старые жирные угли с коротким пламенем, в которых битуминозная и вообще летучая часть не особенно обильна (но вместе с тем выход кокса значителен): их называют специально-коксовыми углями, потому что они, как по качеству, так и по количеству доставляемого ими кокса, представляют среди всех наилучшие сорта исходного материала для коксования. Кроме углей этого разряда, специально-коксовых, к добыванию кокса пригодны все те угли, обнаруживающие способность спекаться в жару и дающие при пробе в тигле К. более или менее спекшийся (все такие угли, в общем, называются жирными); эта способность спекаться проявляется в различной степени и доходит на своих высших степенях до расплавления, после которого остается сплошной слиток кокса, для многих более тугоплавких сортов вспученный от происшедшего выделения газов, подобно хорошо поднявшемуся тесту. Таким образом, среди каменных углей контингент таких сортов, которые подлежат коксованию, весьма многочислен; с усовершенствованием и умножением приемов коксования к последнему времени (лет за десять) он еще увеличился, так как оказалось, что возможность получить хороший кокс из угля весьма значительно обусловлена, для некоторых сортов, самыми приемами прокаливания, а именно: разницами в предельных температурах, в быстроте или медленности нагрева и в связи с тем — ближайшими особенностями конструкции коксовальной печи. Что касается ближайшей связи между химическим составом каменного угля, т. е. количественным содержанием в нем, при углероде, прочих элементов, как то: водорода, кислорода и азота, и этой способностью угля спекаться, т. е. этим явлением большей или меньшей плавкости имеющей в результате агломерацию остатка в сплошной кусок, — то, не взирая на весьма многочисленные и долговременные работы химиков, касающиеся каменных углей и кокса, до сих пор наука не дала еще никаких определенных указаний, которые могли бы приводить в данном случае к заключениям, исходящим из понятия о составе. Задача усложнена существованием своего рода изомерии в группировке составных элементов каменного угля, обуславливающей неодинаковость свойств углей, для которых анализ, тем не менее, обнаруживает состав совершенно одинаковый. Между способностью спекаться и давать плотный кокс и химическим составом угля известны только самые общие соотношения, прежде всего те, которые отвечают обычному делению каменного угля на группы (Грюнора, как то указано в статье Уголь): так, в сухих углях с длинным пламенем отсутствие спекаемости связано с максимальным против других углей содержанием кислорода (которое сближает их с лигнитами), а в каменных углях, составляющих переход к антрациту, неспекаемость появляется как бы в связи с исключительным преобладанием углерода над остальными прибавочными элементами. Близкий к этим фактам вывод относительно того, что спекаемость обуславливается именно присутствием битуминозных или смолистых частей в каменном угле, в заключение оказывается ошибочным. Очень водородистые угли также неспособны более сплавляться, как и очень маловодородистые; то же явление на пределах максимума и минимума содержания повторяется и для кислорода. Во всяком случае, присутствие соединений, состоящих из углерода с водородом и кислородом в составе угля, очевидно, необходимо для коксового процесса. Какие это соединения, ближайшим образом неизвестно, но они образуют род минерализованных углеродистых смол или дегтей, которые при высокой температуре разлагаются и связывают оставшиеся частицы кокса, как своего рода цемент, в плотную массу. Несомненно, что при образовании спекающегося кокса играет роль то явление, постоянно повторяющееся и в других случаях с углеводородами при высоких температурах, — что уголь, в жару, притягивает уголь, т. е. углеводороды при действии на раскаленный уголь выделяют и осаждают на этот уголь тот, который они сами содержат, причем сами они беднеют углеродом и переходят в другие более летучие и в жару более стойкие углеводороды. Таким образом, с самого начала, явление спекания может быть объяснено всего вероятнее осаждением углерода из летучих углеводородных паров, в графитообразном состоянии, на частицы образующегося кокса, причем о каком-либо сплавлении по отношению к самому углероду, элементу безусловно неплавкому, при данных температурах, не может вообще быть никакой речи. Сплавление есть только преходящий, а не остающийся процесс, и, отчего бы оно ни зависело, оно не прямо служит причиной уплотнения и слития кокса в крепкую массу, а последнее зависит от цементации, во время этого самого процесса, отдельных частиц осевшим на них углеродом разложения. Этот взгляд (Веддинга) на образование кокса, во всяком случае, есть тот, который наиболее разделяется ныне химиками, работающими в области коксования. Осевший углерод разложения, цементирующий частицы кокса, есть тот же графитообразный углерод, который привычно встречать, например, в ретортах служащих при гонке светильного газа, в виде плотной коры облегающей внутреннюю поверхность реторт, или в коксовальных печах в виде мелких сталактитообразных наростов и тонких нитей; в своем составе, такие графитные налеты, происшедшие через разделение угля от водорода, тем не менее всегда содержат небольшое количество водорода (0,5%), то же содержание водорода наблюдается и в коксе. Последовательное отношение между выходами нелетучего угля, сортом и происхождением материалов, из которых он получается, и элементарным составом их, до известной степени уясняется следующей таблицей (в которой представлены круглые средние цифры элементарного состава):
| Сорт топлива | C | H | O | Своб. H | Выход кокса |
Уд. вес угля |
Период образования |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Дерево | 44 | 6 | 50 | — | 15 | 0,35 | современный |
| Торф | 60 | 6 | 34 | 2 | 20 | 0,6 | |
| Бурый уголь | 65 | 7 | 28 | 3 | 40 | 1,00 | третичный и меловой |
| Каменный уголь: | |||||||
| а) сухой пламенный | 75 | 6 | 19 | 4 | 50 | 1,25 | каменноугольный |
| б) газовый | 80 | 6 | 14 | 4 | 60 | 1,30 | |
| в) коксовый | 85 | 5 | 10 | 4 | 70—80 | 1,35 | |
| г) тощий антрацитовый | 90 | 4 | 6 | 3 | 90 | 1,40 | |
| д) собственно антрацит (и кокс) | 95 | 2 | 3 | 1½ | 95 | 1,10 (1,90) | |
| Графит | 100 | — | — | — | 100 | 2,0 | силурийский |
В таблице углерод, водород и кислород означены буквами C, H и O, а под именем свободного водорода (как обычно в таких анализах) отдельно означается та часть всего содержания водорода, которая остается за вычетом части, дающей воду с имеющимся количеством кислорода (т. е. излишек водорода против количества равного ⅛ от веса найденного кислорода). Из таблицы видно, что спекаемость, и с нею пригодность к коксованию, как бы приурочена к следующим предельным содержаниям элементов: 5—6% водорода, 10% кислорода, 4% свободного водорода; и при сем, к удельному весу углей 1,35. В действительности так и бывает чаще всего, но все-таки опыт показывает, что это отнюдь не является общим признаком для всех спекающихся углей. Процессы, совершающиеся над каменным углем при долгом лежании на воздухе, сопряжены с потерей для выходов кокса, и могут, для многих сортов угля, уменьшать самую способность его к коксованию, если они зашли слишком далеко. Разные угли неодинаково чувствительны к процессу выветривания, который состоит в поглощении кислорода из воздуха и окислении им углерода и водорода каменного угля (с образованием углекислоты и воды), причем другая часть тогоже кислорода, кроме того, прямо проходит в самый состав угля. Уголь, поэтому, должен быть коксован в свежем состоянии вскоре после выхода из копи. Как было упомянуто, обработке на кокс чаще всего подвергается мелкий уголь. Для получения хорошего, однородного и плотного кокса из всяких подходящих сортов угля необходимо, чтобы погружаемая в печи, для обработки жаром, масса сырого материала была по возможности однородна, т. е. состояла из одинаково мелких кусков; для этой цели мелкий уголь сортируется и искусственно дробится сколько нужно. Таким образом, всегда коксование совершается над равномерно зерненным материалом; говорится также о наивыгоднейшем размере зерна (т. е. крупности кусочков) — он лежит в пределах между 4 и 10 мм. Чем мельче зерно, тем кокс выходит плотнее, и тем лучше предупреждается излишний угар, т. е. прямое сжигание воздухом, прошедшим между кусками угля; вместе с тем, измельчением и уплотнением нагрузки в коксовальной печи облегчается спекание (тонко измолотый порошок каменного угля дает также очень плотный кокс, однако же, до тонкого помола дело вообще не доходит). Присутствие значительных количеств посторонних рудных примесей к каменному углю ослабляет, а иногда и совсем исключает способность его к коксованию: минеральные примеси угля неизбежно концентрируются в коксе и ослабляют его способность спекаться, а во всяком случае они понижают вместе с тем чистоту кокса, внося в него излишнее количество золы. Разнообразие каменных углей в отношении содержания золы очень велико, преимущественно от горных пород, которые входят в уголь с места добычи в разных количествах по мере осмотрительности, с которой происходит выломка, и по свойству сопровождающей породы. Поэтому, для многих углей, предварительно обращения в кокс, предпринимается механическая обработка, с целью отделения примешанных минеральных остатков, которое может быть произведено по разности их в удельном весе. Эта подготовка чаще всего производится машинами (на отсадочных качающихся решетах) в струе воды и называется тогда промывкой; промывка углей прежде всего требует их измельчения и сортировки — а так как в коксовании и независимо от того приходится иметь дело с мелким каменным углем и дробить его, то работа промывки совершенно удобно примыкает к дроблению и сортировке перед коксованием. Промывка аналогична отмучиванию. Таким путем может быть удален прежде всего колчедан (как наиболее тяжелый), потом сланец и в заключение самый уголь. Они садятся при промывке друг над другом резко разграниченными слоями. Те части сланца и пр., которые, как нередко бывает, очень тесно намешаны в мелком виде к самому веществу угля, не отделяются этим путем и остаются в угле; но в общем результате, хорошая промывка всегда значительно обогащает уголь. Промытый коксовый уголь должен содержать по большей мере 6% золы (и 7% воды, с которой он всегда вносится в печь для коксования); удается уменьшать до 4%, хотя бы при начальном содержании в 15—25%, так что в коксе получается примерно 5½%. Если уголь сам по себе достаточно чист, то подготовка к коксованию заключается только в механическом дроблении его, которое производится машинами (в вальцах; если мельче, то в конических мельницах, нередко в дезинтеграторах); раздробленный в мелкое зерно, сухой материал перед погрузкой в печи обыкновенно смачивается водой для того, чтобы он слеживался в печи плотнее и скрывал в себе меньше воздуха. С целью еще большего уплотнения, какое возможно было бы при прямой погрузке в печь, ныне почти всегда употребляется искусственное сдавливание перед погрузкой, так что в камеру печи, которая большей частью имеет простую форму длинного и высокого ящика, ввозится разом вся загрузка, спрессованная наперед в отдельном формовальном ящике, по форме и размеру соответствующем печной камере. Сдавливание внутри самой печи, при постепенной засыпке слоями, менее удобно, потому что рушит печь. Поэтому почти везде имеются при коксовальных печах передвижные (на рельсах) трамбующие машины. Формовальный ящик имеет выдвижное дно и откидные стенки; угольная мелочь трамбуется в нем руками или самой машиной, потом по откидывании стенок сжатая масса вталкивается машиной в печь вместе с дном ящика, которое тотчас же, через не полностью до низу опущенную загрузную дверь, вытаскивается из печи за зубчатую рейку. По окончании обжига в печи, спекшийся в огромный кусок готовый кокс выталкивается из печи также машиной (коксовые прессы). В заключение он сейчас же обливается водой, чтобы потушить его и остудить; при этом гашении, между прочим, выделяется химически, под действием воды, еще часть соединенной серы, остававшейся в коксе после обжига.
Коксовальные печи, т. е. те, которые служат для превращения каменного угля в кокс, построены с таким расчетом, чтобы в них можно было сильно накаливать уголь без доступа воздуха, печные стенки, со всех сторон закрывающие уголь от наружного воздуха, делаются пустотелыми — внутри их закладываются многочисленные каналы, по которым идет огонь. При обжиге угля, как известно, выделяются горючие газы и пары, которыми и пользуются для нагревания печи: продукты разложения угля из внутренности печи вводятся в ее стенные каналы, и здесь к ним пропускается воздух, иногда предварительно прогретый, который сжигает их; продукты горения, далее, уносятся в трубу, и иногда на пути к трубе они употребляются еще (так называемым регенеративным или же калориферным порядком) для предварительного прогрева воздуха, о котором упомянуто. Коль скоро жар передается, таким образом, углю от стенок печи, — заложенные среди них массы угля не должны быть слишком толсты, иначе жар недостаточно скоро передавался бы к внутренности их; поверхности же нагревания должны быть значительны и по отношению к объему печи. Оттого, не взирая ни на какой размер производства, каждое отдельное печное пространство никогда не делается объемистым, а по фигуре придерживаются геометрических форм, наиболее далеких от куба или шара, в которых отношение между объемом и поверхностью наименее благоприятно в данном смысле, а именно таких форм, которые по возможности сужены в одном направлении и вытянуты в другом — последнее преимущественно по длине камеры. Коксовальная камера чаще всего получает, таким образом, форму длинного и узкого ящика, поставленного на узкое ребро; ее пространство ограничивается тогда с боков двумя длинными и не очень высокими, но близко друг к другу поставленными параллельными (или чуть-чуть расходящимися, чтоб легче выклинивать при выгрузке) стенками. Под узеньким и длинным дном камеры также проводится канал. Доступа наружного воздуха к внутренности камеры совсем нет, разве через случайные щели, например через плохо примазанные загрузные двери; но из внутренности печи выходит газ, направленный в стенные огневые каналы, и известный избыток давления этого газа внутри печи сам по себе противодействует засасыванию воздуха. В согласии с размером производства, какой нужен при копях, доставляющих кокс, или при железных и т.п. заводах, приготовляющих кокс для себя самих, — коксовальные камеры строятся в любом числе друг около друга, обыкновенно десятками в один или в два ряда, в совокупности представляя многокамерную коксовую печь. По сходству камер с прочими, так называемыми в технике ретортами, т. е. длинноватыми трубчатыми ящиками разной формы сечения, такие коксовые печи зовутся ретортными и суть в наше время наиболее употребительные. Разнообразие их конструкций весьма значительно. Кроме них, еще доселе не вышли из употребления старые стойловые печи без наружного нагрева, в которых каменный уголь обугливается без предварительного измельчения, в крупных кусках, жаром, развивающимся в его массе за счет собственного его неполного горения; внутрь печи дается для этого значительно стесненный приток воздуха (например через небольшое отверстие, пробитое в дверной заделке или сверху в загрузном окошке; иногда же еще проще ему предоставляется вход через случайные щели не совсем плотной печной кладки), и процесс идет почти таким же образом как при обугливании в кучах. Эти простые, дешевые печи вполне удобны для коксования особых сортов угля, а именно — очень жирных (с содержанием 25—30% летучих частей, тогда как в нормальном «коксовом» угле их около 18%) углей, которые требуют медленного коксования; с другой стороны они пригодны к коксованию таких углей, которые вовсе не спекаются и не могут быть взяты в печь иначе как в крупных кусках (ср. выше). Преимущественно для первых, эта печь еще в большом распространении в Америке и остается кое-где в Англии, beehive oven (ульевая). Обугливание в кирпичных стойлах, не покрытых сводом — так называемых шаумбургских, также как и обугливание в простых кучах круглых, полуцилиндрических или прямоугольных, имеет ныне мало значения. Качество кокса, полученного в простых печах стойловых, хотя бы и шаумбургских, и в кучах может быть не ниже обыкновенно получаемого в ретортных печах; но количественные выходы гораздо ниже, не более 65% из самого богатого угля; так, уголь, дающий в ретортной печи 70—80% кокса, даст в стойлах или кучах 53—65%. Вследствие того, что коксование в настоящее время соединяется все более и более с добыванием смолы и аммиачной соли из летучих продуктов разложения выделяющихся при обугливании, закрытые ретортные печи приобретают особенно важное значение. Если коксование в таких печах должно быть соединено с утилизацией этих газовых продуктов, то в устройстве коксовой печи делаются приспособления к тому, чтоб газы и пары выходили из камер не прямо в огневые каналы, в которых они сжигаются для нагревания печи, но сначала в обширные конденсационные приборы, где, при помощи охлаждения воздухом и водой, сгущающиеся части паров отделяются в виде жидкостей — смолы и аммиачной воды; после прохода через эти сгустители газы еще сохраняют свою горючесть, потому что состоят из летучих углеводородов, и направляются обратно к коксовальным печам, в которых сжигаются по-прежнему. Довольно сложное передвижение газовых масс из внутренности печи к холодильникам и назад к печам облегчается при этом помощью вентиляторов или эксгаустеров; это называется коксованием с утилизацией побочных продуктов. Обращение каменного угля в кокс производится ныне в огромнейших размерах (см. ниже) и получение при этом аммиачных солей представляет большое значение, так как они составляют ценный материал прежде всего для сельского хозяйства, как землеудобрение, а засим и для нужд промышленности (особенно, например, для производства брикетов из угля, для аммиачно-содового производства). Добытая при сем каменноугольная смола, присоединяясь в немаловажных количествах к той, которую доставляют газовые заводы, также находит себе обширный сбыт как материал (бензоловые углеводороды, нафталин, антрацен и пр.) для искусственных органических пигментов (смоляных красок). При этом увеличивается выгодность самого производства кокса и через то удешевляется выработка этого крайне важного топлива. В общем счете, разложение каменного угля жаром в закрытых сосудах — при коксовании в ретортных печах или гонке на газ в газовых ретортах — доставляет, кроме самого кокса, на каждые 100 пудов каменного угля 10—12 пудов смолы, около 1 пуда (обыкновенно несколько более) аммиачной соли, а именно сернокислой, и 15000—16000 куб. футов или 44—47 куб. саженей (430—460 куб. м) горючего, летучий бензол содержащего водородистого газа, которого удельный вес составляет примерно 0,4 при 0° (вес куб. м при 0° около 0,5 кг). Иначе: со 100 кг угля 26—28 куб. м газа, 1 кг (до 1,3) серно-аммиачной соли и 10—12 кг смолы. Если взглянуть на нижеприведенные статистические цифры расхода каменного угля на коксование, то можно видеть, какие огромные количества серно-аммиачной соли могут быть доставлены впредь, когда утилизация летучих продуктов коксования, особенно в Англии, будет обширнее, чем ныне. Параллельно быстрому росту железной промышленности и умножению добычи и расхода каменного угля, в усиливающейся эксплуатации газовых продуктов разложения угля заложены запасы азотистых удобрений, которые имеют быть переданы земледелию для покрытия растущего расхода производительной силы почв. В дополнение к этому не излишне заметить, что не только гонка угля в закрытых сосудах, но и сжигание каменного угля во всяких топках, особенно в генераторах и в тех доменных печах, которые действуют прямо на каменном угле, также может быть связано с добыванием аммиака (но не дегтя), который выделяется в большей своей части в свободном виде и при горении угля. Так, ныне в Шотландии, где доменные печи посейчас идут на неспекающемся каменном угле особого местного сорта — сплинте, все вновь построенные домны соединены с обширнейшими конденсационными сооружениями для улавливания аммиака из газов перед сжиганием их под паровыми котлами. Все подобные сгустительные снаряды значительно громоздки, обширны и недешевы в устройстве; этим объясняется то, почему в не такое давнее еще время, когда и каменный уголь с коксом приносили сами по себе больше дохода, и техника еще была не так связана с побочными деталями всякого дела как ныне, опыты конденсации газов из коксовых печей казались слишком дороги и вместе с тем приходилось до последнего времени отказываться от этого, сложного в устройстве, средства к увеличению доходности дела. Ныне же доходит до такой подробности, что кроме обыкновенного сгущения, дающего смолу и аммиак, извлекают из остающегося газа, посредством совершенно специальной экстракции — растворителями, порядочные количества летучего бензола (на 100 пудов угля 12—28 фунтов бензола, т. е. 0,3 до 0,7% веса угля), и держат ближайшие приемы этого процесса в тайне от соседей. Ценность продуктов, о которых здесь идет речь, примерно, таковы: серно-аммиачная соль в Англии 10 фунтов стерлингов, на континенте до 12 фунтов стерлингов за тонну (1 руб.— l руб. 20 коп. золотом за пуд); смола каменноугольная на континенте 15—20 коп. золотом за пуд; бензол (чрезвычайно колеблющийся в цене), 90-процентный, рубля три золотом за пуд.
Из многочисленных ретортных печей лучшими считаются печи: Коппе (Coppet), вначале строенные без приспособления к обработке газов; Отто-Гофманна, Семет-Сольвея (Semet-Solvay), со сгущением газов; печь Гофмана изображена на прилагаемых рисунках, причем должно иметь в виду, что печь Коппе, главные формы которой легли в основу более новых инструкций Отто, настолько похожа на печь Отто — Гофманна, что по рисунку последней можно составить себе о ней весьма близкое понятие. Фиг. 2 есть простая крытая стойловая печь (beehive oven); ее круглое, реже прямоугольное стойло покрыто сферическим сводом, содержащим в замке окошко для погрузки угля в печь, и имеет сбоку обширную дверь в стенке (заделанную во время хода печи) для вытаскивания кокса. Эта печь обыкновенно строится в диаметре 12 футов, при высоте от пода до замка свода меняющейся в разных экземплярах между 5 и 8 футами; ставятся печи в ряд или в два ряда. Коксование заряда ведется обыкновенно 48, иногда 72 часа; обугливание начинается сверху, исходя от раскаленного свода, и, прежде всего, сосредоточивается в центре верхнего слоя, потому что стенки сначала холодны от тушения водой предыдущей партии кокса, которое производится в самой печи перед выгрузкой. Таким образом, обугливание распространяется от центра к окружности, сначала в более верхних слоях, от которых распространяется книзу; газы, образующиеся при коксовании, отчасти сгорают в пространстве между сводом и поверхностью нагрузки. Сливающаяся в один ком нагрузка растрескивается по мере обугливания, вследствие чего коксовая масса в такой печи в результате является разбитой, подобно базальтовой массе, на стоячие столбы, длина которых соответствует толщине загруженного слоя угля: серебристый блеск, часто свойственный коксу, особенно чист в верхних порциях этого рода столбов, где действовавший жар был выше. Газы, выходящие из печи, иногда проводятся каналом, общим для всего ряда печей, к другим очагам, для которых они назначаются в топливо — обыкновенно под паровые котлы. Нагрузка каждой такой печи, при вышеупомянутых размерах и выходе кокса примерно в 60%, соответствует приблизительно 250 пудам кокса, так что в неделю, при трехдневном (для литейного кокса) сроке каждого обугливания, получается из печи более 8 тонн кокса. Для доменного кокса обугливание ведется быстрее — 48 часов. Печь Коппе состоит из длинной, прямоугольной узенькой камеры 30 футов длиной, от 4 до 6½ футов шириной, применительно к сорту угля, и от 1½ до 2 футов высотой (более слабое развитие в ширину, между огневыми стенками, обуславливает ускорение передачи жара через массу угля; более узкие печи выбираются для углей сильно вспучивающихся при спекании). Камера перекрыта плоским сводом, в пятах которого по обеим сторонам вскрыто по 28 отверстий, вводящих в огневые каналы; каждая продольная боковая стена печи содержит в себе 28 вертикальных каналов, которые, начинаясь сверху упомянутыми отверстиями, внизу ведут в горизонтальный боров, проложенный под каждой камерой. В низах печи, под этими боровами, проложены горизонтальные каналы для прогревания воздуха, который введен в них снаружи и подымается из них кверху по вертикальному ходу, откуда распределяется двумя горизонтальными проходами к огневым каналам, заложенным в стенках. Каждая камера имеет сверху три загрузных отверстия и двери с каждого конца. Печи не охлаждаются; уголь засыпается сверху, и после выравнивания через двери и запирания дверей, начинает обугливаться сверху. Газы, обильно выделяющиеся под влиянием жара, действующего не только прямо от раскаленного свода, но и через обе продольные стенки и через под камеры, идут через 56 отверстий в сводовых пятах в стенные каналы и здесь сжигаются притекающим горячим воздухом, быстро восстановляя теплоту стенок, отнятую вначале свежей влажной нагрузкой. Чтобы придать этому снабжению стенных каналов горючими газами большую равномерность от начала до конца гонки угля, камеры соединяются между собой для совместного действия группами, по 4 в каждой, и загрузка в камеры каждой группы производится поочередно через равные промежутки времени. Движение огня через стенные каналы идет с умеренной скоростью, потому что сумма поперечных сечений всех каналов при каждой камере составляет примерно 1000 кв. дюймов. Коксование идет быстро, в зависимости от величины поперечного сечения печи; образующийся кокс выходит в форме длинного параллелепипеда соответственно формату камеры, и главная плоскость растрескивания его лежит при узких печах вертикально, проходя через ось куска, при широких горизонтально, а при квадратном сечении трещины радиально расходятся от оси призматической массы. Продолжительность коксования прямо пропорциональна сечению печи: 48-часовые печи Коппе имеют поперечное сечение в метрах 1,6 на 0,6, следовательно, близко к 1 кв. м; 24-часовые печи той же системы имеют 1,3 на 0,4 (или 1,0 на 0,5), т. е. около 0,5 кв. м. Кокс тушится вне печи, после выталкивания из нее реечным прессом. За каждые сутки на каждую камеру можно получать 100—150 пудов кокса или в неделю (6 дней) 10—15 тонн. Фиг. 3—5 представляют в различных вертикальных сечениях печь Отто и Гофманна, ныне всего более употребляемую для коксования, соединенного с добыванием смолы и аммиака из летучих продуктов гонки.
Здесь, взамен тех отверстий, которые в печах Коппе ведут горючие газы из внутренности камеры в стенные каналы и потом в днищевой канал для прямого сжигания их воздухом пущенным в те же каналы, проложены через свод печи две газоотводных трубы для вывода газа из камеры к конденсаторам (с, i, k, l), a всякое прямое сообщение внутренности камеры со стенными каналами закрыто. Загрузка угля идет, как в предыдущем, через три окошка в своде камеры, а по концам a и b имеются двери, как обыкновенно. Когда печь нагружена и заперта и идет обугливание, газы и пары из внутренности камеры по обеим чугунным выводным трубам проходят к конденсационным аппаратам и собираются в небольшом газгольдере (который служит, в сущности, только регулятором давлений при этой циркуляции газов взад и вперед); из газгольдера они отправляются назад к печи для сжигания в ней. Место входа их в печь находится не вверху, а внизу камеры, а именно: они вводятся в днищевой канал, имеющийся под каждой камерой, из чугунных труб, видимых в разрезе налево и направо около печей внизу (n, o, p, p), через отходящие от этих обеих боковых газовых магистралей к каждому подкамерному каналу отдельные трубки или газовые сопла. Вертикальные продольные стенки камер содержат в себе по-прежнему многочисленные (на рисунке их 32) огневые каналы, отходящие от главного днищевого; газы зажигаются в этом днищевом канале, и огонь из него подымается по стенным каналам, сливающимся наверху, в тех же стенах (как видно особенно по фиг. 4), опять в общий верхний горизонтальный канал, откуда через регенераторы сообщаются с дымовой трубой. Совсем внизу под печью проложены регенеративные камеры (или прогревные колодцы), служащие для нагрева воздуха; они наполнены сквозной кирпичной кладкой, состоящей из кирпича, поставленного на ребро, рядами в клетку. Воздух сначала входит в один из имеющихся двух таких регенераторов и из него вступает в тот же днищевой канал (отверстия прохода видны на фиг. 3 и 4), где этот воздух встречается с подведенными от сопел газами и зажигает их. На фиг. 3 и 4 можно видеть, что днищевой канал, в котором таким образом начинается сжигание, не сквозной, а разгорожен пополам по своей длине поперечной перегородкой, так что представляет две совершенно раздельные половины, соответствующие обоим отдельным регенераторам. Это деление у днищевого канала на две части положено в основу чередующейся смены направлений входа и выхода пламени, обычной при регенеративных системах. Именно: так как газовых регенераторов при сем не имеется, то газ, как уже сказано, впускается прямо в днищевой канал, но попеременно то в одну, то в другую половину его; газовые магистрали для этого и проведены по обеим сторонам печи. Одновременно с тем, впускаемый воздух, при помощи опрокидного клапана (который с другой стороны действует и на дымовые ходы, идущие от регенераторов к дымовой трубе), направляется также попеременно через соответствующий регенератор в ту половину днищевого канала, в которую впущен газ. Через другую половину открыто в это время сообщение с дымовой трубой, со стороны другого регенератора. Поднявшись поэтому из первой половины днищевого канала через принадлежащие к ней стенные шанцы кверху, огонь собирается из них в верхнем горизонтальном коллекторе и из него находит свободный путь книзу, через стенные шанцы другой половины, которые он проходит сверху вниз, собираясь засим в днищевом канале этой половины и проходя далее через регенератор к трубе. Один из регенераторов, таким образом, прогревается огнем в запас для следующего периода, тогда как другой отдает свою теплоту воздуху, вступающему в печь. Через определенные промежутки времени (например, через час) посредством поворота заслонок, порядок движений меняется; и эта поочередная мена направлений от одной половины стенных каналов к другой, с чередованием обоих мест притока газа и воздуха, повторяется постоянно через те же промежутки. Должно заметить, что регенеративный прогрев употребляется ныне в этих печах только для воздуха, но не для газа, потому что количество воздуха, впускаемого в печь, гораздо значительнее количества газа. Этот газ, в составе которого преобладает водород и болотный газ, требует для полного сжигания сравнительно большое весовое количество воздуха; обыкновенно нужен пятерной или шестерной объем, и поэтому на деле доходит до десятерных и свыше количеств по весу. Ввиду такого количественного преобладания воздуха над газом, не было бы существенной выгоды усложнять конструкцию постановкой регенераторов в двойном комплекте. В печах Коппе, когда нет утилизации летучих продуктов, тем менее является надобность в регенераторе для газа, который прямо сжигается в каналах; но в конструкцию входит также всегда регенератор для воздуха. Были сделаны интересные общие определения печных температур при этого рода регенерации; по графитовому пирометру (Штейнле и Гартунга) найдено было в печах Отто — Гофманна: в днищевом канале под камерой 1200—1400° Ц., в стенах 1100—1200° Ц.; в регенераторе, при начале его действия, 1000° Ц., в конце 720° Ц.; в трубе средним числом 420° Ц. В печах Коппе, в стенных каналах, равно и в днищевом канале найдено было 1300—1400°. [3] Размеры камер Отто — Гофманна обыкновенно приноровлены к 48-часовому коксованию и суть те же как у 48-часовых печей Коппе: 9—10 м длины, 0,6 м ширины, 1,6 м высоты (иногда с сужением на 0,1 м кверху); расстояние между срединными осями 0,95 м. По числу камер, каждая печь состоит, например, из 60; эти 60 построенных в один ряд камер считаются за одну печь. У нас в России есть такие заводы (на Юге), в которых поставлено три, шесть печей (Коппе) по 60 камер каждая; в Германии есть такие, где поставлено пятьдесят, восемьдесят печей по 60 камер и пр. Из каждой камеры отто-гофманновой печи за 48-часовую работу получается, например, 250 пудов кокса; при этом за каждые сутки собирается от каждой камеры 550—550 куб. м газа; этот газ в составе содержит, круглыми числами, в объемных процентах: 53 водорода, 35 болотного газа, 6 окиси углерода, 2 водяного пара, немного углекислоты, этилена и очень мало сероводорода, 0,6 бензоловых паров, — в 100 объемах газа. Всего количества добытого газа оказывается всегда более чем достаточно для накаливания камер; так в предыдущем примере из 550 куб. м газа от каждой камеры оставалось за сутки 200 куб. м излишка. Запасы остающегося газа употребляются для сжигания под паровыми котлами, которые и на коксовальном заводе, особенно с обработкой летучих продуктов, составляют необходимую принадлежность обзаведения. Считается средним числом, что 100 куб. м этого избыточного газа из отто-гофманновых печей заменяют под паровыми котлами 87 кг или более 5 пудов каменного угля.
Должно упомянуть еще о печах Семет-Сольвея, также приноровленных к добыванию летучих продуктов гонки угля. В этих печах вовсе нет регенераторов; для усиления жара в камерах и ускорения передачи тепла, стенки камер построены из больших лежачих пустотелых фасонных кирпичей, тонкая стенка которых передает теплоту чрезвычайно быстро, и употребление коих дает возможность сильнее обыкновенного развить боковые поверхности нагрева (один из таких фасонных кирпичей представлен на фиг. 6).
Они не имеют большой стойкости в жару, но прочность сооружения обеспечивается тем, что кладка стенок из этого крупного пустотелого кирпича выводится независимо внутри основной сплошной кладки печи, несущей и своды камер без перевязи с ней, и потому легко может ремонтироваться. Камеры делаются небольших размеров, приблизительно на 240—270 пудов угля (отто-гофманновы приблизительно на 360 пудов, всегда в сухом состоянии), и, не взирая на отсутствие прогрева в регенераторах, идут настолько жарко, что коксование кончается в 24 часа. Пустотелые стенные коробки складываются так, что огневые ходы образуются лежачие, а не вертикальные: по высоте они образуют всего три горизонтальных ряда; есть и днищевой канал. Горючий газ вводится в верхний пролет, куда подведен и воздух; циркуляция огня идет длинным зигзагом вниз и направлена через днищевой канал к трубе. Большое число практиков считают эту печь лучшей из имеющихся наряду с отто-гофманновой: они распространены ныне в Бельгии и дают там, например, из хорошего каменного угля, 80% кокса, 0,6% серно-аммиачной соли и 1,4% смолы; или из тонны угля (в Германии) 7,6 кг серно-аммиачной соли и более 1 кг смолы.
Из других конструкций, поныне употребительных и предшествовавших нынешним, которые большей частью вышли из этих прежних через некоторые улучшения, нужно упомянуть о печах Франсуа — Рексрот, Гобье, Смета и Смет — Бютгенбаха, также о печах Карве — предшественниках нынешних печей с утилизацией побочных продуктов, и о стоячих печах Аппольта. На 1 куб. м внутреннего объема коксовальных реторт приходится в лежачих печах различных конструкций от 3 до 4½ кв. м внутренней поверхности камер (не считая дверей); в стоячих печах эта цифра больше, в печах Аппольта доходя до 6—7 (кв. м на 1 куб. м стоячей камеры), а в некоторых других видоизменениях аппольтовой конструкции (Гедике) еще больше этого. Для стоячих печей это обуславливается тем, что узкие и высокие (до 2 саженей высоты) реторты прямоугольного сечения в этих конструкциях (в числе 12—20) погружены в одну общую топку, в которой горят летучие продукты коксования, и простенки в этой большой, как бы концентрованной топке заменены редкими, т. е. в малом числе расставленными, узкими тыковыми перевязями реторт промежду собой и с окружающей их общей наружной кладкой. Как печные конструкции, эти стоячие коксовальные печи суть одни из самых смелых построек, и их сооружение требует большого внимания; емкость реторт их не может быть велика — обыкновенно на каждую не больше 90 пудов каменного угля (коксование суточное, с выходом около 65—67 пудов кокса на реторту). В более употребительных лежачих печах, отношение собственно между поверхностью нагрева прямо прикасающеюся к пламени и всей поверхностью камеры, не считая ее свода, а только вертикальной стенки и пода, через которые прокладываются огневые каналы, не свыше 0,7, как, например, в печах Коппе. На 1000 кг заряда (угля) в них приходится около 1,6 куб. м камерного объема и менее 5 кв. м поверхности, из которой около 3½ кв. м являются прямой площадью нагрева. В печах Сольвея, с горизонтальными ходами, эти отношения несколько более. В общем выводе можно считать так, что на каждые 100 кг каменного угля приходится поверхности нагрева коксовальных камер: в печах Аппольта 1 кв. м, а в обыкновенных 0,5 кв. м и по большей мере до 0,75.
Конденсаторные приборы, служащие при эксплуатации летучих продуктов из коксовальных печей, очень обширны; в состав их входят, прежде всего, осадочные корыта для наиболее густых порций смолы (так называемые гидравлики), коробки для отсаживания угольной пыли механически увлеченной газами, воздушные и водяные холодильники, промыватели или скрубберы, газгольдер; передвижения газа по аппаратам производятся при помощи эксгаустеров, движимых паровой машиной; жидкости перемещаются насосами и монтжюсами. На фиг. 7 представлен общий план расположения конденсационного отделения при коксовальном заводе, на котором видны (рассматривая в порядке сверху вниз) места для выгруженного кокса, для двух групп коксовальных печей (Отто — Гофманна) по 40 печей в каждой; фундаментованное место для выталкивающих машин; в середине, линии газопроводов взад и вперед к конденсационному отделению; далее конденсационное отделение с помещением для переработки аммиачной воды; при нем, на пути газопровода, по которому эксгаустер из аппаратной комнаты постоянно приводит газы от печей, видны (слева) два сухих отстойника для угольной пыли — это широкие железные барабаны, в которых вместе с некоторой долей жидкости может происходить отсаживание пыли. Через них газ входит в холодильники и скрубберы, расположенные в аппаратной. Холодильники суть железные башни квадратного или круглого сечения, внутри которых пропущены в значительном числе (например 20) водяные трубы, вставленные между верхним и нижним фальшивыми днищами, пересекающими башню внутри, недалеко от ее обоих концов, подобно водяным трубам паровых котлов (или прогарным трубкам локомотивов); по этим трубам течет вода, а между ними остужается газ, проходящий через эти башни. Из печей газ выходит с температурой примерно 600—700°; густая смола осаждается тут же при печах в «гидравлике», т. е. смоляном корыте, вставленном в газопроводе у самого его начала. Выйдя из гидравлики с 200—400°, в длинном газопроводе он остывает до 75—120°, и от этой температуры охлаждается до 17—30° в холодильниках, действующих друг за другом. В них осаждается более половины (до 75%) всего количества получаемой аммиачной воды, т. е. раствора аммиака в сгустившейся из газа воде. После прохода через холодильники газ пускается через плоские промывалки, где, распределяясь по батарее сквозных трубок, слегка погруженных концами в воду (обыкновенно в жидкий аммиачный раствор), выделяет еще некоторую часть смолы и вместе с тем концентрирует промывную воду; последняя протекает постоянным током (и сливается вместе с продуктами, осевшими в холодильниках, в обширные врытые в землю цементованные сборники, в которых смола отделяется от аммиачной воды по относительной плотности). Далее, подбор аппаратов, служащих для окончательного промывания с целью улавливания остальной части аммиака водой, бывает неодинаков: либо избирается промывка под небольшим давлением, обусловленным проходом газа через невысокие слои воды, протекающей по нескольким этажам широкой промывной коробки с опущенными в воду колпаками с зубчатым краем, под которым газ делится на струйки при проходе через воду; либо берутся высокие скрубберы с насадкой, состоящей внутри их из большого числа горизонтальных дырчатых днищ. Как бы то ни было, к промывным снарядам этой последней серии газ подводится под давлением из того же эксгаустера, который через передние аппараты присасывает его; вследствие этого, при переходе от холодильников к поглотителям, вставляется еще водяной холодильник по ту сторону эксгаустера для охлаждения газа, нагревшегося от уменьшения объема под производимым давлением. Расстановка холодильников и скрубберов в аппаратном помещении видна, например, на фиг. 8 таблицы — разрез через аппаратное помещение. Здесь слева ряд из трех холодильников; далее вправо три более объемистых скруббера; видны и некоторые шкивы на приводных валах для движения насосов. Два сборника для аммиачной воды и смолы указаны на плане фиг. 7 таблицы, где означен и небольшой газгольдер (в виде круга), в который газы после окончательного промывания посылаются вентиляторами для обратного следования к печам. В заключение, относительно работы улавливания и сгущения побочных продуктов коксования можно сказать, что вопрос о ее выгодности или практичности при большом коксовом производстве можно ныне считать окончательно решенным в благоприятном смысле. Многие предполагали прежде, по сложности конденсационного устройства и по ошибке, состоявшей в том, что печи с утилизацией летучих продуктов считались неспособными производить кокс в том же высоком качестве, в каком он получается из обыкновенных печей, что для горных заводов более выгодно отказаться от получения побочных продуктов и обратить внимание только на прямое пользование запасами газа, как топливом для паровых котлов; но большой опыт последних годов привел к окончательному убеждению в том, что это предположение не имеет достаточного основания.
В физических свойствах кокса прежде всего должно быть обращено внимание на его пористость и твердость. Продукт коксования, происходя из каменного угля путем спекания и как бы сваривания нелетучих частей, с обволакиванием и уплотнением их, при этом, оседающим из разложенных паров графитообразным углеродом — является твердым и плотным; он тяжел, жесток, и звонок как металл — и всем этим сильно отличается от древесного угля. Но по существу, весьма важным свойством его все-таки остается пористость, обуславливающая самые выгодные для дела свойства этого материала при сжигании и воздействии на руды, с которыми он переслаивается в шихтах, — и в этом отношении он вполне сближается с древесным углем; пористость того и другого имеет только разное происхождение. В тонких шлифованных пластинках под микроскопом кокс представляет вид, изображенный на фиг. 1 a и b; обнаруживается его как бы ячеистое сложение. Эти ячейки или поры, беспорядочно разбросанные в веществе кокса, по большей части замкнуты или соединены по несколько в закрытую группу; они замкнуты весьма твердыми, сплавленными стенками, образующими самое вещество кокса. О какой-либо правильной структуре тут собственно не может быть речи. Если рассматривать подобным же путем строение древесного угля, например соснового, то видны более мелкие и довольно правильно распределенные поры, которые, однако же, сообщены друг с другом в направлении сосудистых пучков древесины: поперечный и продольный разрезы представляют в этом случае неодинаковый вид. Стенки коксовых ячеек непроницаемы для газов, они как бы остеклованы (вещество древесного угля сплошь проницаемо для газов и чрезвычайно легко окисляется кислородом воздуха при поднятии температуры). Хорошее качество кокса обуславливается достаточной твердостью коксового вещества, достаточно разбитой ячеистостью структуры, вместе с чистотой и равномерностью сложения вещества. Есть методы, посредством которых можно в лабораториях прямо определить пористость, а именно сосчитать объем пор в данном объеме материала. Всех грубее и обильнее поры ретортного кокса с газовых заводов, разложение которого в ретортах сравнительно быстро и не доходит до полного конца: в 100 граммах этого кокса сосчитывается примерно 61 куб. см пор, скажем в дюймах — близко к 4 куб. дюймам (3,72 куб. дюйма); а самое малое содержание пор находится в коксе, полученном из крупных кусков угля путем обугливания в стойлах (костровый кокс). После него, вообще, наиболее пористым является кокс, полученный из простых английских печей старого типа, а все прочие коксы по содержанию пор лежат промежду обоих крайних сортов — газовым и костровым коксом. На поры приходится, таким образом, в разных сортах кокса от 15 до 50% всего объема кокса. При употреблении печей, действующих с умеренным обжиганием, получается пористость в 30—35%, а с сильным получается 40—50% пор. Если уголь посильнее сдавлен при коксовании, то поры мельче, но обыкновенно многочисленнее. Что касается плотности самого коксового вещества, в котором заложены эти поры, то она мало меняется в разных сортах кокса: в 100 граммах содержится твердого коксового вещества от 52½ до 56 куб. см (между 3 и 3½ куб. дюйм.). Таким образом, можно говорить об основном и об общем удельном весе кокса — без пор или с порами; в практике говорится обыкновенно только об основном, т. е. о весе самого угля за вычетом пор. Этот удельный вес изменяется по сортам в пределах от 1,2 до 1,9. Можно заметить для сравнения, что пористость древесных углей превышает наибольшую пористость кокса (газового) по крайней мере в полтора раза, а обыкновенно еще больше того, почти до 3 раз. Твердость кокса, а именно сопротивление его не столько раздавливанию, сколько обтиранию или искрашиванию, составляет требование весьма важное для применения в доменных печах, высота которых, а с ней и тяжесть загрузки, в настоящее время доводится до очень больших пределов (например 15 саженей); при этой высоте движущихся столбов загрузки, давление на нижние слои возрастает еще не так сильно, и даже древесный уголь может его выдерживать, но важно то, чтобы при сем не было перетирания кусков по кромкам и усенкам, чтобы они не крошились (сопротивление истиранию имеет большое значение и для простого транспорта кокса по железным дорогам). Качественное испытание этого рода сопротивления производится прямым сравнительным путем — обтиранием двух кусков разных сортов кокса друг об друга; который-либо из достаточно твердых сортов может быть выбран при сем за единицу или вообще за образец нормальной твердости. Для испытания прямого сопротивления раздавливанию употребляется рычажный пресс, коромысло которого нагружается гирями (или имеет передвижную гирю как в римских весах); вырезаются кубики кокса со стороной 1 см. Цифры сопротивления раздавливанию доходят до замечательных пределов, и колеблются вообще между 80 и 170 кг на кв. см или 32—68 пудов на кв. дюйм, — что равносильно кирпичу среднего качества; обыкновенно твердость кокса оказывается растущей вместе со степенью спекаемости угля, и вместе с температурой, которой подвергался кокс при обжиге. В одной и той же камере кокс стенных порций представляет большую твердость, чем кокс из середин заряда, так как первые грелись непосредственнее. Каждому производителю кокса известно также, что кокс тем тверже, чем дольше после своего окончательного образования он еще калился в жару. Кокс трехдневного обжига тверже 48-часового. Для всех целей, для которых готовится кокс, его среднее сопротивление раздавливанию совершенно достаточно, чтоб он выдерживал давление самых высоких доменных загрузок; но, между прочим, высокая его твердость, присоединяясь к другому свойству кокса — химической индифферентности по отношению ко многим кислотам и т. п. химическим веществам, обращает кокс в весьма полезный строительный материал для некоторых химических заводских аппаратов, а именно высоких поглотительных башен с коксовой насадкой, за которыми оттого утвердилось родовое название коксовых башен иногда даже в тех случаях, где они заполняются ныне не коксом, а, например, крепкими глиняными кольцами и т. п. Для этих башен, в случае насадки коксом, всегда берется печной кокс, но не газовый (т. е. произведенный в ретортах на газовых заводах), потому что последний не представляет той твердости, особенно в смысле сопротивления обтиранию, которую имеет печной кокс, и, кроме того, — не может быть получен в тех правильных длинноватых кусках, которые нужны, по крайней мере, для нижних рядов башенной насадки, складываемых в клетку. По действительному удельному весу, среди разных сортов кокса всех легче кокс из простых крытых стойловых печей. В насыпанных кучах, состоящих из кусков, кокс весит в 1 куб. м от 350 до 450 кг, или в 1 куб. саж. от 210 до 266 пудов; вес же каменного угля в 1 куб. м, смотря по сортам и величине кусков, 700—900 кг, так что в кучах, при равном объеме, кокс приблизительно вдвое легче, чем каменный уголь. При измельчении и применении усиленной набивки или давления (например, более высокого столба) при коксовании, можно увеличить вес 1 куб. метра примерно на 25%. Для сравнения с древесным углем упомянем, что тот весит в 1 куб. метре в разных сортах 7—13 пудов (115—215 кг) или в 1 куб. сажени 68—128 пудов. Степень пористости и вместе плотности угля обнаруживает огромное влияние на его воздействие на газы в жару. В опытах Л. Белля сухой углекислый газ, проведенный при светло-красном калении с одной стороны через кокс, по возможности плотный, а с другой стороны через кокс пористый и через древесный уголь, превращался в окись углерода в следующей пропорции: плотный, малопористый кокс давал в результате 5,44% окиси углерода; пористый кокс восстановлял сильнее и дал 30,19% окиси углерода, а древесный уголь 64,8% окиси углерода, оставляя 35,2% углекислоты не разложенными. Такая связь воздействия на углекислоту с пористостью угля чрезвычайно важна в деле выбора и приготовления кокса для доменной выплавки чугуна: химический анализ кокса, как бы ни был благоприятен его результат для суждения о превосходстве и чистоте кокса, не показывает еще окончательно его преимущества к употреблению в домнах, и кокс, весьма хороший по составу, может быть совсем неэкономным и невыгодным для домен и для вагранок, смотря по тому, насколько он плотен или порист. Количества угля, вполне сгорающего в углекислоту, оказываются вообще различными, смотря по физическому свойству угля; способность восстановлять углекислоту растет, по Тернеру, в следующем порядке: газовый кокс (всех слабее), прессованный кокс, обыкновенный пористый кокс, костровый кокс, дубовый уголь, буковый и березовый и сосновый уголь. В подобном же порядке от одного топлива к другому увеличивается энергия воздействия угля на сжигающий его воздух, можно сказать, горючесть. Это обнаруживается на деле из различного отношения углей в жару под действием дутья: тогда, средним числом, древесный уголь сгорает вдвое скорее обыкновенного кокса, костровый кокс в 1¾ раза, буковый и дубовый древесные угли около 1½, каменный уголь несколько менее 1½, наконец, антрацит сгорает, наоборот, медленнее обыкновенного кокса в пропорции 1:0,89 (см. Тернер, «Stahl und Eisen», 1886, p. 71). С увеличением давления и температуры дутья, конечно, всякая сгораемость усиливается. Воспламеняемость или температура, при которой зажигается кокс, весьма различна по сортам, и эта температура вообще лежит гораздо выше точки воспламенения каменного угля. Для последнего, например, довольно 350°, а для кокса требуется светло-красное каление градусов в 700, чтоб зажечь его. Раз зажженный, кокс в разогретой топке горит свободно, высоким или низким слоем, но во всяком случае не в слишком малой массе. При этом, кокс отличается теплопроводностью значительно большей, чем древесный уголь: от этого получается некоторая выгода, состоящая для доменных печей в том, что прогрев заряда в направлении снизу вверх отчасти совершается прямо через эту теплопроводность. Содержание углерода в разных сортах кокса, смотря по исходному углю, колеблется между 84 и 94%. В суждении о чистоте кокса по химическому составу, для металлургических целей, прежде всего, обращается внимание на серу и фосфор, остающиеся в составе угля после коксования. Сера в составе кокса находится в двух видах — в соединении органическом и в форме сернистого железа; фосфор заключается в золе. Замечательно помимо этого содержание водорода (и кислорода) в коксе, который до конца никогда не может быть удален никаким прокаливанием. Водород находится в двух состояниях — химически соединенный с углем и, быть может, с кислородом в форме весьма огнепостоянных соединений, и в форме газообразных углеводородов, оставшихся в порах кокса (оклюдированных). Присутствие этих последних углеводородов приметно по потере при прокаливании в белокалильном жаре в струе чистого водорода, который в содействии с высокой температурой удаляет эти углеводороды, после чего обнаруживается потеря в весе, разная по сорту угля — чем мягче и пористее последний, тем потеря больше и для кострового кокса она доходит почти до 30% (для древесных углей 18%, для обыкновенных же печных коксов 0,75—1,7%). Всего меньше потеря для газового кокса (0,25%). Преобладание таких впитанных в пористом угле углеводородов принадлежит именно тем сортам угля, которые оказывают в доменных печах наиболее сильное восстановляющее действие, а именно древесным углям и костровому коксу. Условиями нормальной доброкачественности кокса при выборе его для доменного дела ставятся: содержание серы не свыше 1%; фосфора 0,018%; воды гигроскопической 4%; золы не свыше 9%; при сем: пористость в размере 40—50% для доменного кокса, для литейного 25—40%; сопротивление раздавливанию в 80 кг на кв. см; наконец, не больше 6% мусора и пыли на месте приемки (признак сопротивления обтиранию, обнаруживающийся на пути). По цвету кокса нельзя сделать заключений об его достоинстве; часто свойственный ему серебристый блеск появляется в разных степенях, и цвет может представлять всякие оттенки серого, кончая совсем темными и матово-черными. Во всяком случае, наилучшие сорта преобладающим образом имеют светлый оттенок, светло-серый до серебристо-белого; в порошке всякий кокс имеет темно-серый или черный цвет. Из промытого угля цвет кокса всегда ровный; на непромытом видны полосами более темные места на светлом грунте. По рыжеватым пятнам, которые на краях являют радужные побежалости, а иногда выглядят совсем как колчедан, можно почти безошибочно заключить о более высоком содержании серы, чем нормальное (и большей железистости); но одни только радужные побежалости, совсем независимо от того, свойственны иногда также коксу от печей с утилизацией летучих продуктов. Вид кокса из этих печей, в общем, всегда не хорош, хотя достоинство его может быть самое высокое; этот кокс, как и ретортный газовых заводов, лишен серебристого блеска — что объясняется тем, что во время отложения углерода из разлагающихся углеводородов на этих коксах, вследствие полного отсутствия воздуха в ретортах, остаются кроме графитообразных твердых отложений еще более легкие порошковатые налеты; в печах без добывания подобных продуктов всегда есть некоторое проникание воздуха в реторты, в результате которого сжигается более горючий матовый угольный налет. Больше всех серебристым блеском отличается всегда кокс из простых круглых английских печей; замечено также, что кокс ретортный также выходит более лоснящимся, если продержан, после изготовления, еще некоторое время в жару. По отношению к величине кусков, продукт может выпадать мелким или крупным, и это зависит в большей мере от приноровленности размеров камер по высоте к сорту угля; как слишком большая, так и слишком малая высота нагрузки ведут к увеличению пропорции мелочи против крупных длинноватых кусков, требуемых горными заводами, и то же зависит еще от степени жара при коксовании, который для крупного кокса не должен быть поднят выше известной меры. В нормальном случае, хорошо выжженный кокс дает только 4—6% мелочи. Из печей с добыванием побочных продуктов кокс выходит с довольно значительной порцией губчатых кусков, образующихся особенно в соседстве загрузных дверей и в верхнем слое (до 8% всей массы кокса); подобные же, пенистые и легко истирающиеся налеты получаются всегда и в других печах у лобовых концов насадки, но в меньшем количестве — эти навары составляют, как и предыдущие губчатые куски, отброс производства и остаются на заводе. Добавим, наконец, что хороший кокс во всяком случае должен иметь ясную металлическую звонкость при ударе; тупой звук свидетельствует о не особенно высоком качестве.
Производство кокса, сравнительно, есть дело не так давнее — так как и каменный уголь не так давно получил свое преобладающее значение в качестве главного топлива. До начала нашего века, обугливание, или разложение каменного угля в жару без доступа воздуха, производилось лишь чрезвычайно редко; сто лет тому назад случилось, что некоторые англичане подвергли газовый уголь гонке в ретортах специально для того, чтобы освещаться собранным при сем светильным газом, а вместе с тем получился и газовый кокс. Но еще и лет 70 тому назад, из европейских городов в Париже освещена была этого рода газом только одна улица. Что касается специального коксования для обугливания каменного угля без эксплуатации газов, то оно стало развиваться сначала медленно с сороковых годов и шло параллельно развитию железоделательной промышленности, а за последние десятилетия с чрезвычайной быстротой. К настоящему времени в Англии коксуется ежегодно не менее 15 млн. тонн (900 млн. пудов) каменного угля для нужд этого металлургического дела в самой стране; для светильного газа, в Англии, разлагается в ретортах ежегодно не менее 7 млн. пудов каменного угля. Считая все производство кокса в Великобритании, для домен и прочих печей, литейных заводов, других отраслей промышленности и для вывоза, — на коксование идет здесь ежегодно около 35 млн. тонн (более 2000 млн. пудов) каменного угля, с выходом кокса не меньше 21 млн. тонн, из коих около 20 млн. расходуется на месте. Производство доселе главным образом идет в простых печах, и по крайней мере ¾ всего этого количества кокса приготовлены в «beehive-ovens». Америка, где многие доменные печи идут прямо на антраците, и некоторые на древесном угле, производит кокса около 11 млн. тонн (short-tons около 55 пудов), следовательно, около 600 млн. пудов или половину того, что в Англии. В Германии коксование получает ныне также огромные размеры — в 1892 г. 7700 тыс. тонн (470 млн. пудов). Добывание летучих продуктов из коксовальных печей вообще развилось только за последние 10 или 12 лет, и из всех стран, ныне, оно сравнительно всего сильнее основалось в Германии.
В России производство кокса на копях и при горных заводах чрезвычайно быстро усиливается за последние (3—4) года, но достигает к настоящему времени размера не свыше 30 млн. пудов в год; количество угля, подвергаемого коксованию, составляет, таким образом, не более 0,75 млн. тонн. Средоточием этого производства является Юг России. Коксующиеся угли, нередко превосходного качества, находятся вместе с прочими каменноугольными богатствами, преимущественно в Донецком бассейне, где их находят в двух раздельных площадях бассейна, сравнительно очень обширных. В польском крае, каменноугольная и железоделательная промышленность которого мощно усиливается, встречается, напротив того, очень мало коксующихся углей, и на нахождение их заявляется мало надежды; своего производства кокса здесь поэтому почти совсем не существует, и вся обширнейшая доменная работа идет на привозном заграничном коксе, ввоз которого через западную сухопутную границу приобретает для России поэтому особое значение. Угли Московского бассейна также не коксуются, и кроме Юга, коксовые угли в ограниченном распространении представляет Урал и Алтай, которые имеют также свое, хотя весьма небольшое производство кокса. За 1893 г. произведено в России около 30 млн. пудов печного кокса; заграничный же ввоз составил несколько менее 18 млн. пудов (из них 7 млн. морем, около 11-ти по железной дороге через западную сухопутную границу). Из систем печей для коксования, у нас наиболее употребительны печи Коппе, иногда в видоизменении Отто (без обработки летучих продуктов); бывали в употреблении и печи Смета, а также простые шаумбургские стойловые, которые еще работают доселе — тогда как коксование в кучах у нас, по крайней мере на южных заводах, не употребляется. Газы из коксовальных печей употребляются на южнорусских заводах для отопления паровых котлов, но не повсюду. Сгущение и обработка летучих продуктов для добывания аммиака предпринята с недавних пор при Лисичанском руднике в связи с потребностями аммиачно-содового химического завода, действующего в той же местности (компания Сольвей и Любимов). Уголь, употребляемый для коксования, местами настолько чист, что не требует подготовки промывкой, например на заводах новороссийского общества (Юза) и французского общества в Кривом Роге. На заводах брянском, каменском, Берестово-Богодуховской копи и др. существует промывка угля со времени введения коксования на этих заводах. Что касается размеров коксования на разных заводах, то они к последнему времени возросли весьма значительно, через умножение числа печей. Так, на брянском (Александровском) заводе имеются шесть групп коксовальных печей Коппе о 20 камерах, всего 120 камер (по 30 камер на каждую доменную печь), при трех выталкивающих прессах (с зубчатыми рейками). В каменском заводе более 150 камер Коппе; в криворожском заводе 3 группы по 20 камер, также Коппе. На заводе новороссийского общества где, как в главном центре, сосредоточена большая часть всего русского производства кокса (годовое производство здесь до 10 млн. пудов), имеется 12 печей Коппе, каждая в 30 камер; коксование угля здесь началось раньше, чем на других южнорусских заводах, и доселе остались еще от прежних времен, кроме печей Коппе, несколько печей Гобье, Смета и двадцать шаумбургских. Коксованию на новороссийском заводе подвергается чистый и весьма хорошо коксующийся (без дробления) смольяниновский уголь, со средним выходом кокса в 65%. Берестово-Богодуховская копь, производящая кокс для брянского и каменского завода в добавку к производимому самими заводами, имеет печи Отто, всего 60 камер, с которыми может производить до 5 млн. пудов кокса в год (на новороссийском заводе производство кокса превышает 10 млн. пудов). Коксовальные печи имеются теперь на всех южнорусских заводах, и находятся, кроме того, при многих копях; имеется только один завод (Пастухова), идущий прямо на антраците, с прибавкой небольшого количества кокса (идущего в калошу), покупаемого на копях. Эти данные о коксовании на южнорусских заводах, сообщенные профессором И. А. Тиме, изложены во всей подробности в статье проф. Тиме («Горный Журнал», 1893, март). Ценность устройства печей Коппе составляет у нас (строятся с подряда г. Коппе) около 1000 руб. с каждой камеры полного устройства. Цены кокса, как и каменного угля, в общем всегда весьма значительно выше у нас в России, чем где-либо в Европе и Северной Америке. Если положить, что хорошая цена за кокс за границей обыкновенно 5—6 коп. за пуд, то у нас цены кокса в общем обращении его в большой торговле не ниже 15 коп. Нередко он дороже этого и для самих заводов, его производящих — смотря по удалению их от угольных копей; так для заводов, расположенных по Днепру, 1 пуд привозного донецкого угля обходится копеек в 12, и, считая выход кокса в 70%, появляется следующий расход на производство кокса: угля, с потерей от промывки и размусоривания, 1½ пуда 18 коп., рабочая плата 1 коп., накладные расходы 2 коп., в сумме — 21 коп. за пуд кокса себе. Нынешние (1895 г.) меры к удешевлению транспорта угля и кокса по железным дорогам, принятые правительством при участии съезда промышленников, обеспечат понижение этих расходов производства. Главными потребителями печного кокса являются всюду сами горные заводы и чугунолитейные, но еще некоторая часть его расходуется заводской промышленностью в разных других случаях, так например в содовом деле (как материал для массы и отчасти топливо), в заводском обжиге известняков, когда нужна вместе с тем и угольная кислота (например на сахарных заводах), в цементном деле для обжига в простых шахтных печах (ныне меньше), в различных заводских горновых плавках; с другой стороны, железные дороги также некоторой долей являются потребителями кокса, и за границей существует направление к тому, чтобы ввести его по преимуществу для отопления локомотивов. Из них, по крайней мере горные и проходящие по длинным туннелям, а равно городские, разъезжающие по пригородным дорогам, пользуются коксом очень часто и по преимуществу (например локомотивы С.-Готардского туннеля, берлинской городской дороги и пр.), но и вообще считается, что для локомотивов он всегда будет иметь преимущество над углем там, где цены на него умеренны. Относительное потребление кокса среди других сортов топлива в России на горных заводах, т. е. отношение расхода кокса к расходу угля и дров, в которых он появляется у нас в горном деле, видны из следующих цифр за 1890 год (в течение которого общее потребление всякого кокса привозного и внутреннего приготовления, было около 40 млн. пудов): горными заводами расходовано было древесного угля коробов (вес короба около 28 пудов) около 3 млн., каменного угля и антрацита 23 млн., кокса 39 млн., а, кроме того нефти 1,6 млн. пудов и дров 830000 куб. саженей. Железными дорогами за тот год расходовано кокса менее 400000 пудов (почти исключительно в железнодорожных мастерских), тогда как угля каменного, своего и привозного, и донецкого антрацита ими сожжено 80,5 млн. пудов, нефти 17⅔ млн., торфа с лишком 3 млн. пудов, а дров несколько более 600000 куб. саженей.
Литература. Dürre, «Anlage und Betrieb der Eisenhütten» (1882); его же, «Die neueren Kokesoefen» (1893); Jüptner, «Heizstoffe»; Wedding, «Handbuch der Eisenhüttenkunde»; F. Simmersbach, «Die Koksfabrikation im Oberbergamtsbezirk Dortmund» (1887); Remy, «Kohlenaufbereitung und Verkokung im Saargebiet» (1890); Oscar Simmersbach, «Grundlagen der Koks-Chemie» (1895); Weeks, «Manufacture of coke»; его же, в «Eleventh Census-Report on the Mineral Industries by David Day» (1892); «Muspratt’s technol. Chemie», статья «Heizstoffe»; Lowthian Bell, «The manufacture of Iron in its relations to agriculture» («Journal of the Iron and Steel Institute», 1892, сентябрь); De-Soldenhof, там же, 1894, II и Лондон, 1895; Dr. Schniewind in Pittsburg, «Gas from coke ovens» («Iron Age», vol. LV, 1895); журнал «Stahl und Eisen» за последние года; Bell, «Principles of the manufacture of Iron and Steel» (1884); журнал: «Iron»; Тиме, «Горный Журнал» (1893); о применении К. к отоплению локомотивов: Dietrich, «Deutsche Bau Zeitung» (1892); Rossignaux, «La fabrication du coke» («Bull. de la Soc. d’industrie minerale», 1891). О давлении, производимом нагрузкой в доменной печи: Wedding, «Die Berechnungen für Entwurf und Betrieb der Eisenhochoefen»; статьи в «Revue universelle des mines par Cuyper» и «Annales des Mines». Рисунок печи Коппе в «Sammlung von Zeichnungen für die Hütte»; рисунки в атласах Dürre.
Приложения
править
Примечания
править- ↑ В этой статье излагаются: цели коксования, выбор материала, устройство коксовальных печей, собирание побочных продуктов, физические и химические свойства кокса и статистические замечания.
- ↑ Так, например, при отгонке газовых частей из угля, круглым числом 20 процентов того тепла, которое этот уголь сам по себе в состоянии был бы дать при сжигании, отходят прочь, — полученное количество газа представляет по теплопроизводительности эту долю всей прежней теплотворной способности угля. Эта круглая цифра особенно близко относится к газовым углям, при гонке их для приготовления светильного газа. Утрачивается при гонке и та часть теплоты горения угля, которую рождают отогнанные смолы.
- ↑ Должно иметь в виду, что разложение продуктов гонки угля, при котором происходит выделение угля из углеводородов с образованием болотного газа, начинается уже при 600°.