Hoe Cokesovengas Gegenereerd en Gebruikt Wordt in IJzerproductie

Cokes is een essentiële input voor het ijzerproductieproces. Voor het maken van cokes wordt steenkool verwarmd in afwezigheid van lucht om vluchtige stoffen (VM) eruit te drijven. Omzetting van steenkool tot cokes heet steenkoolverkoking en het proces wordt uitgevoerd in cokesovens. Een cokesovenbatterij bestaat uit een aantal cokesovens. Op dit moment zijn er twee hoofmethoden voor het produceren van cokes voor hoogoven.

De eerste methode bestaat uit een herstelproces waarbij de steenkool in een volledig reducerende atmosfeer wordt verwarmd en de vluchtige producten worden hersteld in een bijbehorende bijproductenplant. De cokesovens die voor deze methode van steenkoolverkoking worden gebruikt, heten bijproductenovens en de cokesovenbatterij heet de bijproductencokesovenbatterij. Tijdens de verkoking van cokeskool in een bijproductencokesovenbatterij wordt de VM, bestaande uit ongeveer 25-30% van de geladen steenkool, afgedreven als uitlaatgas dat de cokesovenkamers verlaat als het hete rauwe cokesovengas. Rauw cokesovengas is een brandbaar gas en heeft een geelbruine kleur en een organische geur.

In de tweede methode wordt verkoking van steenkool uitgevoerd in een niet-herstel (ook wel bekend als warmteherstel, of energieherstel) cokesovenbatterij. In het niet-herstelproces wordt lucht geïntroduceerd boven de top van het cokesbed in de cokesoven en de vluchtige producten die tijdens de verkoking gegenereerd worden, worden in de oven zelf verbrand om de benodigde warmte voor het steenkoolverkokingsproces te leveren.

Bijproductenplant

De bijproductenplant is een integraal onderdeel van het bijproductencokesmakingsproces. De werking van elke oven is cyclisch, maar de batterij bevat een voldoende groot aantal ovens om een essentieel continue stroom van rauwe cokesovengas te produceren. De individuele ovens worden geladen en geleegd op ongeveer gelijke tijdsintervallen tijdens de verkokingscyclus. Verkoking duurt 15-18 uur om HO-cokes te produceren. Tijdens deze periode destilleert VM van steenkool uit als rauw cokesovengas. De verkokingstijd wordt bepaald door de steenkoolmengsel, vochtgehalte, onderstookingsnelheid, en de gewenste eigenschappen van de cokes. Bij lage vraag naar cokes kan de verkokingstijd verhoogd worden tot 24 uur. Verkokingstemperaturen liggen doorgaans tussen 900-1100 °C. Lucht wordt voorkomen in de cokesovens door een positieve terugdruk in de verzamelmain te handhaven. De cokesovens worden onder positieve druk gehouden door een hoge hydraulische maindruk van ongeveer 10 mm waterkolom in de batterijen te handhaven. De gassen en koolwaterstoffen die tijdens de thermische destillatie vrijkomen, worden via het afvoersysteem verwijderd en naar de bijproductenplant gezonden voor herstel.

De grote hoeveelheid gas gegenereerd door de verdamping van VM in de steenkool tijdens de productie van cokes in de bijproductencokesovenbatterij wordt behandeld in een aangrenzende bijproductenplant. Tijdens de verkokingscyclus wordt het gas gedurende de meerderheid van de verkokingsperiode geproduceerd. De samenstelling en evolutiesnelheid van CO-gas verandert tijdens de periode en de evolutie van CO-gas is normaal volledig op het moment dat de steenkoollading in de batterij 700 °C bereikt. Dit gas heet rauw cokesovengas en wordt verwerkt in de bijproductenplant. De functies van de bijproductenplant zijn om het rauwe gas te verwerken om waardevolle steenkoolchemicaliën te herwinnen en het rauwe cokesovengas voldoende te behandelen zodat het gebruikt kan worden als een schone, milieuvriendelijke brandstof. Rauw cokesovengas na behandeling in de bijproductenplant heet schone cokesovengas of simpelweg CO-gas.

In de bijproductencokesovenbatterij verlaat het geëvolueerde cokesovengas de cokesovenkamers bij hoge temperaturen van benadering 1100 °C. Het rauwe CO-gas wordt afgekoeld door adiabatische verdamping van een deel van de sproeistof (spoelvloeistof) tot ongeveer 80 °C en is waterverzadigd. De temperatuur van het gas wordt voldoende laag zodat het in de gasverzamelmainen afgehandeld kan worden. Vanuit de gasverzamelmain stroomt het rauwe cokesovengas in de zuigmain. De hoeveelheid spoelvloeistof die in het hete gas dat de ovenkamers verlaat wordt gesproeid, is veel meer dan nodig voor koeling, en de overgebleven spoelvloeistof die niet verdampt, levert een vloeistofstroom in de gasverzamelmain die dient om gecondenseerde teer en andere verbindingen weg te spoelen. De stroom van spoelvloeistof stroomt onder zwaartekracht in de zuigmain samen met het rauwe cokesovengas. Het rauwe cokesovengas en de spoelvloeistof worden gescheiden met behulp van een afvoerketel (de downcomer) in de zuigmain. De spoelvloeistof en het rauwe cokesovengas stromen dan apart naar de bijproductenplant voor behandeling. De typische samenstelling van de hoofdcomponenten in het rauwe cokesovengas is in Tabel 1.

Verzadigd rauw gas uit de cokesovenbatterij bevat ongeveer 46-48% waterdamp. Andere componenten van rauw gas zijn waterstof (H2), methaan (CH4), stikstof (N2), koolstofmonoxide (CO), koolstofdioxide (CO2), hoge paraffines en onverzadigde koolwaterstoffen (ethaan, propaan etc.), en zuurstof (O2) etc. Rauw cokesovengas bevat ook diverse verontreinigingen, die cokesovengas zijn unieke kenmerken geven. Deze bestaan uit: (i) teercomponenten, (ii) teerzuurgassen (fenolgassen), (iii) teerbasisgassen (pyridinebases), (iv) benzeen, tolueen en xyleen (BTX), lichte olie en andere aromaten, (v) naftaleen, (vi) ammoniakgas, (vii) waterstofsulfidegas, (viii) waterstofcyanidegas, (ix) ammoniumchloride, en (x) koolstofdisulfide.

Om rauw cokesovengas geschikt te maken als schone, milieuvriendelijke brandstofgas, moet de bijproductenplant bepaalde functies uitvoeren: (i) het rauwe ovengas afkoelen voor condensatie van waterdamp en verontreinigingen, (ii) teer en naftaleen verwijderen om gasleiding/apparatuurverontreiniging te voorkomen, (iii) ammoniak (NH3) verwijderen om gasleidingcorrosie te voorkomen, (iv) benzololie verwijderen voor herstel en verkoop van benzeen, tolueen en xyleen (BTX), en (v) waterstofsulfide verwijderen om te voldoen aan lokale emissiereglementen voor de verbranding van cokesovengas. Stroomdiagram van behandeling van rauw cokesovengas is in Afbeelding 1 gegeven.

Afbeelding 1: Stroomdiagram voor behandeling van rauw cokesovengas

De effecten van herstel van bijproducten uit het cokesovengas zijn: (i) vermindering in het volume van cokesovengas, (ii) vermindering in de calorische waarde van het gas, (iii) effect op vlamtemperatuur en vlamvolume, en (iv) wijziging in dichtheid en samenstelling van het gas. Schoon cokesovengas is een kleurloos gas met een geur kenmerkend voor waterstofsulfide en koolwaterstoffen.

Het rauwe CO-gas kan waterstof, methaan, stikstof, koolstofmonoxide, koolstofdioxide, ethane, zuurstof, ethyleen, en benzeen bevatten. Het kan ook enkele hoeveelheden ammoniak, waterstofsulfide, waterdamp, cyclopentadieen, tolueen, naftaleen, waterstofcyanide, cyanogeen, en stikstofmonoxide bevatten. Een typische samenstelling van schoon cokesovengas is in Tabel 2 gegeven.

De eindopbrengst van schoon cokesovengas na behandeling in de bijproductenplant is ongeveer 300 Nm³ per ton droge steenkool. De gasopbrengst is afhankelijk van: (i) vluchtige stoffen in de laadsteenkool en (ii) verkokingcondities. De dichtheid van CO-gas bij standaard temperatuur en druk is in het bereik van 0,45-0,50 kg/m³. CO-gas heeft een calorische waarde tussen 4000-4600 kcal/Nm³. Het heeft een theoretische vlamtemperatuur van 1982 °C. Het heeft een vlamvoorplantingssnelheid die de werkelijke vlamtemperatuur dicht bij de theoretische vlamtemperatuur laat liggen. CO-gas draagt ongeveer 18% van de invoerenergie in een cokesoven en bijproductenbatterij (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Typische energiebalans van een cokesoven en bijproductenplant

Analytische data tonen aan dat vluchtige HAP (Gevaarlijke Luchtverontreinigende Stoffen) gezamenlijk veel minder dan 1% per volume van CO-gas uitmaken na conventionele behandeling van rauw CO-gas in een bijproductenplant. Daarom resulteert CO-gasverbranding in goed onderhouden bedreven verbrandingsunits zoals procesverwarmers en ketels in zeer lage HAP-emissies. Filterbare deeltjesmaterie (PM) emissies van de verbranding van CO-gas zijn typisch laag. HAP metaalemissies uit CO-gas zijn niet significant.

Toepassingen van Cokesovengas

Cokesovengas vormt een belangrijk onderdeel in de energiebalans van het staalbedrijf. Het wordt normaal gebruikt in cokesovenbatterijverhitting, verhitting in andere ovens van het staalbedrijf, en voor stroomopwekking. Cokesovengas kan als zodanig gebruikt worden of kan gemengd worden met het hoogovengas voordat het als brandstof in een oven wordt gebruikt.

COG kan ook als reductant in hoogoven gebruikt worden. CO-gasinjectie is een proces dat omvat het injecteren van grote volumes cokesovengas in de raceway van een hoogoven. Dit biedt niet alleen een supplementaire koolstofbron, maar versnelt ook de productie van vloeibaar ijzer naast het verminderen van de behoefte aan metallurgische cokes voor reacties in de hoogoven. CO-gasinjectietechnologie verlaagt ook absolute CO2-emissies alsook SO2-emissies van de hoogoven.

De productie van DRI (direct gereduceerd ijzer) in de geïntegreerde staalroute gebaseerd op de benutting van beschikbaar CO-gas is een heel recent fenomeen. Gebruik van CO-gas voor de productie van DRI heeft verschillende voordelen zowel vanuit economisch als milieuperspectief. Gebruik van overtollig CO-gas als reducerend gas om DRI te produceren herstelt 97% van de beschikbare energie vergeleken met 30-40% herstel door het verbranden van CO-gas om elektriciteit te produceren. CO-gasbenutting is in Afbeelding 3 weergegeven.

Afbeelding 3: Typische gasstroom in staalplant met CO-gasbenutting

Volgens een 2007-studie van de Internationale Energieagentur wordt ongeveer 70% van het CO-gas gebruikt in ijzer- en staalmakerijprocessen, 15% voor cokesovenverhitting, en 15% voor elektriciteitsproductie. De studie stelt verder dat door meer CO-gas te gebruiken voor stroomopwekking (bij voorkeur door efficiëntere gecombineerde cyclus stroomopwekkingstechniek die efficiënties van ongeveer 42% kan bieden, in tegenstelling tot ketel-gebaseerde stroomcentrales die op stoomcycli werken met een gemiddelde efficiëntie van ongeveer 30%), verbeteringen in energie-efficiëntie bereikt kunnen worden.