Efficiënte Energiebesparing met Droge Afkoeling van Hete Cokes

Cokes droge afkoeling (CDQ) is een energiebesparend proces dat wordt toegepast tijdens de productie van cokes in de cokesovenbatterij. Een CDQ-installatie heet ook cokes droge koelinstallatie (CDCP). In het traditionele CWQ-proces (cokes natte afkoeling) wordt de roodgluende cokes, die uit de cokesoven wordt geduwd, afgekoeld door water te sproeien. Het water verdampt en wordt onbenut in de atmosfeer vrijgegeven. Een nadeel is het energieverlies wanneer de thermische energie van de roodgluende cokes omgezet wordt in stoom die onbenut verdampt. Een ander nadeel is dat het CWQ-proces luchtgetransporteerd cokesstof produceert, wat leidt tot hoge CO2-uitstoot en thermisch energieverlies.

Bij het CWQ-proces voor afkoeling van ovenverse cokes gaat de gevoelige warmte van de hete cokes verloren in de atmosfeer. Daarnaast ontstaan luchtemissies (0,5 ton stoom per ton cokes, beladen met fenol, cyanide, sulfiden en stof) en is een grote hoeveelheid water nodig (ca. 0,6 m³ per ton cokes). Verontreinigingen in het water worden ook in het milieu geloosd. Tabel 1 vergelijkt typische eigenschappen van cokes geproduceerd door CWQ- en CDQ-processen.

In het CDQ-proces wordt de roodgluende cokes afgekoeld door gas dat in een gesloten systeem circuleert, waardoor vrijlating van luchtgetransporteerd cokesstof wordt voorkomen. De thermische energie van de roodgluende cokes, die in het conventionele CWQ-proces verloren gaat, wordt in het CDQ-systeem verzameld en hergebruikt als stoom. Deze technologie gebruikt minder fossiele brandstoffen en resulteert in lagere CO2-uitstoot, wat bijdraagt aan bestrijding van opwarming. Tegenwoordig trekken CDQ-installaties veel aandacht door hun efficiënte warmteherwinning en milieuvriendelijkheid. Ze worden beschouwd als essentiële faciliteiten tegen milieuproblemen zoals CO2-opwarming en luchtverontreiniging. Een studie, gebaseerd op de exploitatie van een bestaand CDQ-proces, toonde aan dat 85% van de afvalwarmte die vrijkomt tijdens de verkoking van steenkool, door het CDQ-proces wordt herwonnen.

Geschiedenis

De CDQ-techniek werd in de jaren '20 in Zwitserland geïntroduceerd door de gebroeders Sulzer. enkele decennia later ontwikkelde het Giprokoks-instituut in Rusland een verbeterde conceptie voor continu werk. Na proef- en pilot/commerciële proeven werd de eerste full-scale CDQ-installatie in 1965 in werking gesteld bij Cherepovets IJzer- en Staalwerken in de toenmalige USSR. In 1978 waren er ongeveer 50 CDCP-modules van 56 ton/uur in de USSR in bedrijf. De laatste twee decennia is het CDQ-proces geleidelijk geaccepteerd, hoewel CWQ nog steeds populair is. Er zijn echter veel CDQ-installaties in verschillende landen in bedrijf. Afbeelding 1 toont een CDQ-installatiemodule van Giprokoks-ontwerp met een capaciteit van 56 ton/uur.

Figuur 1: CDQ-installatiemodule van Giprokoks-ontwerp, capaciteit 56 ton/uur

Japan kocht in 1975 licentie van de USSR en drie installaties gingen in 1976-77 in werking. Met de toename van de productiecapaciteit van cokesovens is ook de CDQ-capaciteit gegroeid. Om aan deze trend en diverse klantwensen te voldoen, is in Japan de ontwikkeling van grootschalige CDQ-installaties met enkele kamer (single-chamber CDQ) voor afkoeling van grote hoeveelheden cokes plaatsgevonden. Voor single-chamber CDQ is beschikbaarheid cruciaal omdat er geen reservevoorzieningen zijn. Stable operatie is essentieel voor hoge beschikbaarheid. Voor onervaren operators is het moeilijk om stable operatie te bereiken door diverse parameters aan te passen. In de laatste jaren is nieuwe automatiseringstechnologie voor CDQ-installaties ontwikkeld. Afbeelding 2 toont de progressieve capaciteitsverhoging van CDQ-kamers sinds 1975.

Figuur 2: Progressieve toename van CDCP-kamer capaciteit sinds 1975

CDQ-proces

Hete cokes na duwen wordt van de cokesovenbatterij naar de CDQ-installatie gebracht in een bodemopenbak op de afkoelwagen. Deze bak wordt bij de CDQ-installatie getild door een hijs-/doseringsinrichting naar de top van de CDQ-kamer en de roodgluende cokes wordt in de voor-kamer gedoseerd. Hete cokes (temperatuur ca. 1.000-1.100 °C) wordt in de kamer afgekoeld door circulerend gas. In de kamer beweegt het circulerende gas counter-current ten opzichte van de cokesbeweging: het gas stroomt omhoog terwijl de cokes door zwaartekracht naar beneden daalt.

Het circulerende gas in een continu werkende CDCP-installatie is een menggas dat voornamelijk uit stikstof (N2) bestaat met kleine hoeveelheden koolstofdioxide (CO2), koolstofmonoxide (CO) en waterstof (H2). Typische samenstelling: N2 70-75%, CO2 10-15%, CO 8-10%, H2 2-3%. De hete cokes, tijdens dalen in de kamer, wordt afgekoeld tot een temperatuur onder 200 °C door het circulerende gas dat vanuit de onderzone van de koelkamer wordt geblazen, en wordt uitgevoerd via de uitlaatinrichting aan de bodem. De doorlooptijd van de cokes door de kamer is ca. 5-6 uur. Typische operationele parameters voor een CDQ-installatie van 56 ton/uur zijn in Tabel 2 gegeven.

Het hoge-temperatuur circulatiegas (ca. 800-850 °C) na warmtewisseling in de koelkamer passeert de primaire stofvanger en wordt naar de ketel geleid. Het circulatiegas na warmtewisseling in de ketel wordt afgekoeld tot ca. 180 °C. De gegenereerde stoom in de ketel wordt gebruikt als algemene processtoom of omgezet in oververhit hoogdrukstoom voor elektriciteitsopwekking via een turbogenerator.

Het circulatiegas passeert de secundaire stofvanger naar de gascirculatieveergeler, waar de druk verhoogd wordt, en de samenstelling gecorrigeerd door toevoeging van N2-gas, waarna het gas aan de bodem van de CDQ-kamer geïnjecteerd wordt. Indien nodig wordt een sub-economizer geïnstalleerd om de temperatuur van het circulatiegas te verlagen tot ca. 130 °C, wat de koelrendement van de koelkamer verbetert.

Er zijn hulpfaciliteiten zoals afsnijinrichting voor het afsnijden van cokes uit de kamer, stofverwijderingssysteem voor het verwijderen van stof in het circulerende inerte gas, en de secundaire stofvanger voor de circulatieveergeler. Het processtroomdiagram van het CDQ-proces is in Afbeelding 3 weergegeven.

Figuur 3: Processtroomdiagram van het CDQ-proces

Voordelen van het CDQ-proces

Het CDQ-proces heeft veel voordelen ten opzichte van het conventionele CWQ-proces. De belangrijkste voordelen:

Benutting van gevoelige warmte van hete cokes

Elektriciteit kan gegenereerd worden door droge afkoeling van cokes zonder verbruik van fossiele brandstoffen. Dit leidt tot CO2-reductie. Als voorbeeld (Afbeelding 4): CDQ met 200 ton/uur capaciteit kan ca. 36 MW elektriciteit genereren. Voor dezelfde elektriciteit met een zware-oliegestookte ketel zijn 12 ton/uur zware olie nodig, wat resulteert in 36 ton/uur CO2-uitstoot. Een CDQ-installatie biedt dus zowel economische als milieuvordelen. Er is netto energiebesparing van ca. 0,25 Gcal/ton cokes. CDQ stelt effectieve energiebenutting toe die in het CWQ-proces in de atmosfeer verdeeld wordt.

Bescherming van het milieu

Bij CDQ is er geen witte rook die normaal uit de afkoeltoren komt bij CWQ. Deze witte rook bevat veel stof. De afwezigheid van witte rook bij CDQ is omdat alle processen volledig gesloten zijn. Hierdoor verbetert de werkomgeving rond CDQ-installaties.

Bij CWQ wordt grote hoeveelheid cokesstof (ca. 300-400 g/ton cokes) uitgezonden, vervat in de stoom. Het recent ontwikkelde 'cokes stabiliserende afkoeling (CSQ)' verlaagt stofemissie, maar CDQ is nog efficiënter. Stofemissie van CDQ is minder dan 3 g/ton cokes (Afbeelding 4). Deze waarde is verder verbeterd door continue verbeteringen.

CDQ is ook milieuvriendelijk ten aanzien van waterverontreiniging en waterbesparing, aangezien geen water wordt gebruikt in CDQ, in tegenstelling tot CWQ waar water het afkoelmedium is.

Figuur 4: Voordelen van het CDQ-proces

Bijdrage van CDQ aan productiviteitsverbetering in hoogoven

De verbeterde cokeskwaliteit door CDQ leidt tot productiviteitsverbetering in de hoogoven (HO). Cokes geproduceerd door CDQ heeft twee uitstekende kenmerken ten opzichte van CWQ-cokes: (i) hogere mechanische sterkte, en (ii) zeer laag vochtgehalte (bijna nul). Deze kenmerken leveren voordelen in de HO:

• Brandstofverbruik in HO daalt met enkele procenten omdat geen extra warmte nodig is voor verdamping van vocht in de cokes. Dit draagt ook bij aan CO2-reductie in HO en verbeterde opwekking bij TRT (topdrukherstelturbine) door hogere temperatuur aan de top van de HO.
• Permeabiliteit in HO verbetert door hogere cokessterkte. Hogere permeabiliteit verbetert de efficiëntie van de reduktiereactie in de HO, wat de rauw ijzerproductiviteit verbetert. HO's met CDQ-cokes hebben stabielere operatie. Door hogere cokessterkte kan de binnenkant van de HO voldoende permeabiliteit behouden, waardoor hogere pulveriserde koleninjectiesnelheden bereikt kunnen worden.

Verbetering van cokeskwaliteit

De kwaliteit van cokes wordt verbeterd door CDQ vergeleken met CWQ. De kwaliteit is stabieler door lage standaarddeviatie (meestal ca. 1,25%). Uniforme kwaliteit helpt bij HO-operatie. Dit komt doordat de cokes geleidelijk wordt afgekoeld door circulerend gas in de CDQ-kamer in plaats van snelle afkoeling door watersproeien bij CWQ. Ook wordt de water-gasreactie vermeden. De verwachte verbetering in mechanische sterkte (drumindex) is ca. 1,5% en in cokessterkte na reactie (CSR) ca. 2,5%. Deze verbetering komt doordat de geleidelijk afgekoelde cokes vrij is van oppervlakteporiën en interne krakken die wel in nat afgekoelde cokes voorkomen.

De toename in cokessterkte is relatief minder bij hoog percentage hoogwaardige cokeskool in de mengsel. Hoger gebruik van laagwaardige cokeskool levert extra kostenvoordeel op door CDQ.