Процесс получения кокса

Когда говорят о процессе получения кокса, многие представляют себе просто обжиг угля, но в реальности для создания качественного прокаленного нефтяного кокса требуется учитывать десятки параметров — от фракционного состава сырья до режимов прокалки в камерных печах. В нашей практике на производстве ООО 'Хэнань Минжунь Новый Материал' не раз сталкивались с тем, что даже незначительное отклонение в температуре на стадии прокалки приводит к изменению электропроводности конечного продукта. Вот об этих нюансах, которые обычно умалчивают в учебниках, и хочется рассказать.

Подготовка сырья: что важно beyond гранулометрии

Мы работаем с тяжелыми нефтяными остатками, и здесь ключевой момент — не просто сернистость, а содержание металлов-примесей. Например, ванадий даже в сотых долях процента резко снижает плотность кокса после прокалки. На нашем производстве в Сичуане изначально использовали сырье с местных НПЗ, но после серии экспериментов перешли на импортные поставки — выиграли в стабильности параметров, хотя логистика усложнилась.

Фракционный состав контролируем лазерным гранулометром, но здесь есть тонкость: если пересушить пек на стадии подготовки, потом при прокалке образуются микротрещины. Один раз пришлось списать партию в 20 тонн именно из-за этого — визуально кокс казался нормальным, но при прессовании анодов крошился. Сейчас сушим строго до 0.3% влажности, не больше.

Интересно, что иногда помогает добавка каменноугольного песка в шихту — не более 5%. Это не по ГОСТу, но на практике увеличивает механическую прочность. Коллеги с Урала подсказали, мы проверили — работает, хотя теоретически не должно влиять на электропроводность. Видимо, есть нюансы кристаллизации, которые еще не описаны в литературе.

Прокалка в печах: между теорией и реальностью

Прокалка — это вообще отдельная история. В теории все просто: нагреваем до °C в бескислородной среде. На практике же равномерность прогрева по сечению куска определяет все. У нас стоят вращающиеся печи с газовым подогревом, но даже при идеальной герметизации бывает, что в центре куска температура на 50-70 градусов ниже — и это критично.

Запомнился случай, когда пришлось экстренно останавливать печь из-за отказа термопары. Вскрыли — а в зоне нагрева уже пошел пережог, верхние слои кокса начали графитизироваться раньше времени. Пришлось дробить всю партию и пускать на менее ответственные нужды. Сейчас дублируем контроль тремя типами датчиков, дороже, но надежнее.

С газоотводом тоже не все просто. Летучие при прокалке должны удаляться равномерно, иначе образуются поры неправильной формы. Мы экспериментальным путем подобрали скорость подъема температуры — не более 15°C/час в диапазоне 500-800°C. Медленно, да, но структура получается более однородной. Китайские коллеги греют быстрее, но у них и плотность кокса ниже на 0.05-0.08 г/см3.

Контроль качества: где стандарты не работают

По сертификату прокаленный нефтяной кокс должен иметь удельное электрическое сопротивление не более 550 мкОм·м. Но для литий-ионных аккумуляторов важнее стабильность параметров от партии к партии. Мы ввели дополнительный тест на термическое расширение под нагрузкой — сами разработали методику, основанную на японских наработках, но адаптировали под наше сырье.

Химический анализ делаем каждые 4 часа при непрерывном процессе. Обнаружили закономерность: если содержание серы падает ниже 2.3%, это часто свидетельствует о начале графитизации, что для анодного материала нежелательно. Приходится корректировать режим прокалки — уменьшать время выдержки при пиковой температуре.

С зольностью вообще отдельная история. Теоретически чем меньше, тем лучше, но на практике добиться стабильных 0.4% практически невозможно. Мы договорились с потребителями о допуске до 0.55% — главное, чтобы не было скачков. Кстати, именно из-за проблем с зольностью мы отказались от использования некоторых видов сырья, хотя они были дешевле на 15%.

Проблемы масштабирования: от лаборатории к цеху

В лабораторных условиях получали прекрасные образцы — удельное сопротивление 480-500 мкОм·м, насыпная плотность 0.85 г/см3. Перенесли технологию на опытно-промышленную установку — параметры ухудшились на 10-12%. Оказалось, в лабораторном ретортном аппарате теплопередача иначе идет, нет турбулентности газовых потоков.

Пришлось полностью пересматривать систему подачи газа в печи. Установили дополнительные направляющие, изменили угол наклона вращающейся печи. На настройку ушло три месяца, зато теперь вышли на стабильные 510-520 мкОм·м при промышленном производстве.

Еще проблема — охлаждение после прокалки. Если охлаждать быстро, в структуре возникают напряжения, которые проявляются уже при помоле. Пришлось проектировать зону медленного охлаждения с контролируемой атмосферой — увеличили производственный цикл на 8 часов, но брак сократился втрое.

Перспективы развития технологии

Сейчас экспериментируем с двухстадийной прокалкой — сначала при 900°C, потом догрев до 1250°C с выдержкой. Предварительные результаты обнадеживают: снижается расход газа на 12-15%, при этом электропроводность даже немного улучшается. Правда, пока не можем добиться стабильности процесса — то пережог, то недожог.

Для литий-ионных аккумуляторов начали разрабатывать кокс с регулируемой пористостью. Идея в том, чтобы создать градиент плотности — более плотная внешняя оболочка и пористая сердцевина. В лаборатории получается, но промышленное внедрение пока сложно — оборудование нужно специальное.

Интересное направление — использование кокса в композитных материалах. Мы поставляем пробные партии для испытаний в исследовательские центры. Если получится, откроется новый рынок сбыта. Но здесь требования к чистоте еще жестче — зольность не более 0.2%, что при нашем оборудовании достижимо только при дополнительной очистке.

Экономика производства: о чем молчат технологи

Себестоимость прокаленного кокса на 60% определяется ценой сырья и энергоносителей. Мы в ООО 'Хэнань Минжунь' перешли на газовое отопление печей — дороже в капитальных затратах, но выгоднее в эксплуатации. Плюс стабильнее температура, что важно для качества.

Логистика сырья — отдельная головная боль. Железнодорожные поставки из других регионов часто сопровождаются просыпами и увлажнением. Пришлось строить крытые склады с принудительной вентиляцией, хотя изначально не планировали — удорожание на 8%, но сохранность сырья того стоит.

С отходами производства тоже пришлось innovate. Пыль от дробления кокса раньше просто складировали, теперь прессуем в брикеты и продаем для менее ответственных применений — например, для производства огнеупоров. Небольшой дополнительный доход, но главное — экологические проблемы снимаются.