Optimaliseren van Cokesovenbatterij Prestaties voor Metallurgische Operaties

Niet-Herwinnings Cokesovenbatterij

Metallurgische cokes is een hard koolstofmateriaal geproduceerd in het proces van de 'destructieve distillatie' van diverse mengsels van bitumineuze steenkool. Het wordt geproduceerd door verkoking van steenkool bij hoge temperaturen (rond 1100°C) in een zuurstofarme atmosfeer in een cokesoven.

De vervaardiging van cokes door verhitting van steenkool in gebrek aan lucht heeft zijn oorsprong aan het begin van de industriële revolutie toen Abraham Darby het in 1709 in Engeland gebruikte voor het smelten van ijzerertsen. De methode van cokesproductie was initieel dezelfde als voor de productie van houtskool, ophopen van steenkool in ronde hoopen, aansteken van de hopen, en vervolgens de zijkanten bedekken met klei. Dit legde de basis voor bijenkorfcokesproductie. Stapvoortgang leidde tot de ontwikkeling van bijenkorven, reverberatoire en bijproductovens, geculmineerd in regeneratieve cokesovens met herwinning van de bijproducten ongeveer een eeuw geleden.

De technologie van niet-herwinnings cokesovens is ontstaan uit de klassieke bijenkorven die sinds de achttiende eeuw de cokes voor de industriële revolutie leverden. De bijenkorven werden handmatig bediend, met kleine warmteherwinning, alleen voor het verwarmen van de oven. Nu zijn niet-herwinningsovens moderne constructies, met hoogst gemachineerde operatie, en tot op zekere geautomatiseerd. Gassen gegenereerd door de verbranding van de vluchtige bestanddelen worden via afvoers naar beneden gestuurd en verder verbrand om de ovenbodem en zijkanten te verwarmen.

Drie Bewezen Processen voor Cokesproductie

Er zijn drie bewezen processen voor de vervaardiging van metallurgische cokes. Deze zijn: (i) bijenkorfcokesovens, (ii) bijproductcokesovens, en (iii) niet-herwinningscokesovens. Wanneer de warmte-energie van de rookgassen herwonnen wordt in de vorm van stoom, dan worden de niet-herwinningscokesovens wel warmteherwinnings- of energieherwinningscokesovens genoemd. In alle drie de processen worden ovens meestal in rijen gebouwd, één oven naast de andere met gemeenschappelijke muren tussen burenovens. Zo'n rij ovens wordt een batterij genoemd. Een batterij bestaat meestal uit veel ovens, soms honderden, in een rij.

Een bijenkorfofen is een eenvoudige vuurvaststeen kamer met een gewelfd dak zodat de binnenvorm die van een oude bijenkorven is. Bijenkorfcoking is nu een verouderd proces vanwege de kleine hoeveelheid die het produceerde en de zeer grote hoeveelheid verontreiniging die het produceerde. Toch wordt het nog op bepaalde plaatsen gebruikt.

In de bijproductcokesovenbatterij wordt steenkool verkookt in afwezigheid van lucht aangezien deze batterijen met positieve druk in de ovens worden bediend. Het cokesproductieproces in deze cokesovenbatterijen wordt bijproductcokesproductie genoemd omdat het afgas verzameld wordt en naar de bijproductinstallatie gestuurd wordt waar verschillende bijproducten herwonnen worden.

In het proces van cokesproductie in de niet-herwinningsovens, worden vluchtige bestanddelen die vrijkomen tijdens steenkoolverkoking niet als bijproducten herwonnen, maar in de oven zelf verbrand in de aanwezigheid van een gecontroleerde hoeveelheid lucht en de warmte van de vluchtige bestanddelen van de ontwijkende gassen wordt gebruikt voor de verkoking van de steenkoolmassa tot cokes en dus is geen externe verwarming vereist. De warmte wordt gegenereerd door de verbranding van vluchtige stoffen die vervolgens in de steenkoolmassa doordringen door straling van de oventop en ook door geleiding. Het hogere warmteniveau wordt belangrijk gebruikt om de potentiëel verontreinigende koolwaterstoffen op te breken in de bestandbrandbare verbindingen en deze te verbranden, zodat potentiële gevaarlijke verontreiniging vermeden wordt. De warmte ten gevolge van verbranding wordt slechts deels benut tijdens het proces en de balanswarmte in het afvalrookgas wordt herwonnen voor energieopwekking.

Het rookgas dat uit de cokesoven komt, draagt een significante hoeveelheid zinvolle warmte naast enkele brandbare stoffen. Aangezien niets anders dan cokes herwonnen wordt uit de cokesovens die deze technologie incorporeren, worden de cokesovens niet-herwinningscokesovens genoemd. Wanneer de brandbare stoffen in het afvalgas verbrand worden en de gegenereerde warmte samen met de zinvolle warmte van de rookgassen gebruikt wordt voor de productie van stoom en opwekking van stroom, worden de cokesovens warmteherwinningscokesovens of energieherwinningscokesovens genoemd.

De basis voor de niet-herwinningscokesovens met warmteherwinning is de zogenaamde 'Jewell-Thompson oven'. Deze ovens werden in 1960 ontwikkeld toen drie testovens met succes gebouwd werden te Vansant, VA. In 1972 werden 16 grote Jewell-Thompson ovens gebouwd. De eerste niet-herwinningscokesfabriek met warmteherwinning werd in maart 1998 in Indiana, VS in bedrijf genomen. De fabriek had 268 ovens met een capaciteit van 1,3 miljoen ton per jaar en een warmteherwinningsstroomcentrale van 100 MW. De Jewell-Thompson oven is gevormd met een rechthoekige grondvlak. De ovensteenbekleding bestaat uit silica refractair materiaal.

De sleutelelementen van de niet-herwinningscokesoventechnologie zijn: (i) cokes wordt geproduceerd door steenkool te verwarmen in een gecontroleerde atmosfeer, waarbij vluchtige stoffen (gas en vocht) vrijkomen, (ii) het gas wordt op een milieuvriendelijke 'slimme' manier verbrand om de warmte te produceren om de cokes te maken, (iii) overtollige warmte die in het proces geproduceerd wordt, wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken, (iv) het proces is niet afhankelijk van de verbranding van steenkool, alleen het gas dat uit de steenkool ontweekt, (v) de broeikasgasemissies van het proces zijn typisch voor een eenvoudige gasgestookte stroomcentrale, namelijk een die stoom opwekt die door een turbine gaat.

Niet-herwinningscokesovens produceren kwaliteitscokes voor hoogovens, cupola's, en ferrolegeringovens etc. Deze ovens zijn nuttig om hoogwaardige cokes te verkrijgen voor hoogovenoperatie met hoge geplette steenkoolinjectie, waar betere eigenschappen van cokes nodig zijn, of om standaardkwaliteit te verkrijgen gebaseerd op mengsels met een deel non-cokende steenkool.

Vergelijking met Bijproductovens

De vergelijking van cokesproductie in de bijproductcokesoven en die in niet-herwinningscokesoven is getoond in Afbeelding 1.

De vergelijking van verschillende parameters van cokesproductie door de bijproductcokesoven en die door de niet-herwinningscokesoven is gegeven in Tabel 1.

De vergelijking van Sankey-diagrammen van de bijproductcokesovenfabriek en de warmteherwinningscokesovenfabriek configuraties is gegeven in Afbeelding 2.

Ontwerp- en Constructiekenmerken van Niet-Herwinningscokesoven

Er zijn verschillende ontwerpen beschikbaar voor de niet-herwinningscokesovens. De belangrijkste kenmerken van enkele van de ontwerpen worden hieronder beschreven.

De Jewell-Thompson Cokesovens

Typische afmetingen van de kamers van de cokesovens zijn 14 m lengte, 3,5 m tot 3,7 m breedte, en 2,4 m tot 2,8 m hoogte. 40 ton tot 50 ton steenkool wordt per oven geladen. Typische laadhoogte is 1000 mm. De ovens zijn gebouwd met 23 refractaire steenvormen. Steenkoolmengsel wordt aan één kant geladen, door middel van een zogenaamde 'pusher charger machine' (PCM) die over rails dicht bij de ovens beweegt. Onmiddellijk na laden, absorbeert het steenkoolmengsel de warmte van de refractairen en de verbranding van vluchtige stoffen begint.

Onder het ovendak vindt partiële verbranding van vluchtige stoffen plaats, bovenop de steenkoolmassa. Spoedig daarna worden gassen naar de ovenhearth gesuggereerd, waar meer lucht wordt geïntroduceerd om de verbranding te voltooien. De verkokingsfront schreedt van de bodem en van de top, en ontmoet ergens in het midden. Er treedt geen drukopbouw op zoals in bijproductcokesovens, zodat lage vluchtige stoffen gemengd kunnen worden.

Temperatuur, druk en binnenverbranding worden in de ovens gecontroleerd. De verkokingstijd is van de orde van 48 uur. Cokesuitduwing wordt uitgevoerd met dezelfde PCM die gebruikt wordt voor laden. Cokes wordt met water gekeld. Alle water gebruikt voor cokeskelen wordt herwonnen, met uitzondering van verdampingsverlies. Een doorsnede van Jewell-Thompson cokesoven is getoond in Afbeelding 3.

De Chinees Ontworpen Niet-Herwinningsovens

De Chinezen hebben naast standaard horizontale warmteherwinningscokesovens ook een verticale-type niet-herwinningsoven gebouwd. Wat betreft de horizontale ovens, is het ovendak een 120 graden boogstructuur. Verstelbare primaire luchtaanzuigingen zijn gelijkmatig in de boog geïnstalleerd, vormend een afgasbeschermende laag tussen de steenkool en brandzone in het ovendak. Vier gekoppelde bogen worden aan de ovenbodem gebruikt. Op de basis van de bogen zijn verstelbare secundaire luchtaanzuigingen geïnstalleerd om de lucht in de rookkanaal te verdelen, voor verdere verbranding van het uitgaande gas om de ovenbodem te verwarmen. Rokken in muur en bodem kunnen gecoördineerd worden. Een ventilatielaag tussen de fundering van de oven en de zool voorkomt oververhitting van de basisplaat. Hoofdmur is uitgerust met zuigverstelvoorzieningen.

Ovenduer is verdeeld in twee secties, de bovenste is vast en de onderste beweegbaar, om roetlekken te voorkomen. Ze zijn gemaakt van gietijzer en bekleed met keramische vezel.

De afmetingen van de verkokingskamer van de horizontale warmteherwinningscokesovenbatterij van een van de ontwerpen bestaan uit 13.340 mm lengte, 3.596 mm breedte, 2.758 mm hoogte met 4.292 mm van centrum-tot-centrum afstand van de kamers. De effectieve afmetingen van de steenkooltaart zijn 1.300 mm lengte, 3.400 mm breedte, en 1.100 mm hoogte. De bulkdichtheid van de ladingssteenkool is 1,0 ton/m³ tot 1,5 ton/m³. De oven heeft een steenkoolladingscapaciteit van ongeveer 50 ton en heeft 72 uur verkokingstijd.

Er zijn nog twee ontwerpen beschikbaar. De afmetingen van de verkokingskamer in deze twee ontwerpen bestaan uit 13.334 mm en 15.440 mm lengte, 3.598 mm en 3.700 mm breedte, 2.888 mm en 2.693 mm hoogte met 4.530 mm en 4.300 mm van centrum-tot-centrum afstand van de kamers respectievelijk. De effectieve afmetingen van de steenkooltaart zijn 12.750 mm en 14.850 mm lengte, 3.500 mm en 3.600 mm breedte, en 1.050 mm en 1.000 mm hoogte respectievelijk. De ovens hebben steenkoolladingscapaciteiten (op droge basis) van 42,393 ton en 51,856 ton en hebben verkokingstijd van 72 uur en 70 uur respectievelijk.

De eerste verticale cokesoven warmteherwinningsbatterij is in 2002 in China gebouwd. In vergelijking met horizontale-types, vereisen deze cokesovens minder ruimte en 20% tot 30% lagere bouwkosten. Belangrijker, men zegt dat de scheiding tussen verkokingskamer en verbrandingskamer het verbranden van de cokes vermijdt wat in horizontale-type oven kan voorkomen. Warmte komt alleen door refractairen, zoals in conventionele batterijen. Er zijn twee lagen luchtkoelkanalen aan de bodem van de batterijen. De temperatuur van de fundering is tussen 100°C tot 150°C, wat falen voorkomt. Hoofdafmetingen en kenmerken van de verticale ovens zijn vermeld in Tabel 2.

Het Cokesovensontwerp van Sesa Goa

De cokesovens zijn smaller dan de Jewell-Thompson cokesovens. Dit maakt het mogelijk om een Romaanse boog voor het dak te gebruiken. De ovens zijn gebouwd met alumineuze refractairen, en dit impliceert een kleinere breedte. De oven heeft 10.760 mm lengte en 2.745 mm breedte. 21 ovens zijn verbonden met een schoorsteen. De ovens zijn met toplading. Het gebruik van alumineuze refractairen in plaats van silica refractairen is te wijten aan hun betere gedrag onder oxidiserende atmosfeer, betere weerstand tegen thermische schok en minder volumeveranderingen bij afkoeling, wanneer er enige vertraging is in herladen van de oven. De ovens worden bediend met gecompacteerde steenkoollading.

Het Uhde Ontwerp

In het huidige Uhde-ontwerp zijn de cokesovens gestampt geladen. Maar de laadmachine gaat niet in de oven. De afmetingen van de ovens zijn 3,8 m breedte en 15 m lengte. De bekleding is van silica stenen. De tunnel voor uitgaand gas loopt lateraal onder het ovenniveau, in plaats van boven de ovens.

SJ 96 Cokesovens

Deze oven is intern ontwikkeld door Shanxi Sanjia en wordt gekenmerkt door het uitzonderlijke gewicht van de steenkoollading wat 120 ton is. Daarom is er behoefte aan lange verkokingstijd van tien dagen in vergelijking met de 48 uur tot 72 uur van typische verkokingstijd van de andere processen. Steenkoolmassa-hoogte is 1,8 m en gelijkmatig maken wordt gedaan op 90 cm en 180 cm niveaus. Zowel laden als lossen zijn handmatig en met de oven afgekoeld. Temperaturen zijn van de orde van 1.200°C in de bovenste steenkoollaag en 1.150°C in de onderste steenkoollaag. Gas wordt volledig verbrand in de onderflues onder de oven, en de temperatuur ervan wordt gebruikt om stoom te produceren voor stroomopwekking.

Cokesproductieproces in Niet-Herwinningsovens

In niet-herwinningscokesovens worden alle vluchtige stoffen in de steenkool binnen de oven verbrand om de warmte te leveren die vereist is voor het cokesproductieproces. De oven werkt onder negatieve druk. Primair verbrandingslucht geïntroduceerd via poorten in the ovendeuren, verbrandt de vluchtige stoffen in de ovenkamer deels. Secundaire lucht wordt geïntroduceerd in de zoolflues, die in een slangenvormige manier onder de steenkoolmassa lopen. Het ontwerp van de flues en de controle van de luchtstroom laten de verkokingssnelheid gelijkmatig zijn zowel aan de top als de bodem van de steenkoolmassa.

In tegenstelling tot het bijproductcokesproces, waarin de cokes indirect verhit wordt door verbranding van gas in de verwarmingsflues buiten de ovenkamer, uitsluitend, wordt tijdens niet-herwinningsverkoking de benodigde warmte zowel direct als indirect in de ovenkamer overgedragen.

Steenkool wordt aan het begin van de cyclus op de ovenvloer geladen. Het verkokingsproces wordt gestart door de warmte die bestaat uit de vorige verkokingcyclus. Steenkoolladen van de ovens wordt bereikt via de open pusher-zijdeur. Vaak wordt de steenkool gestampt vooraf, en dan wordt de steenkool in de hete ovenkamer geladen. Typische laadniveaus liggen op 1.000 mm.

Het vrijgekomen rauwe cokesovengas wordt deels verbrand in de kroon door de toevoeging van omgevingslucht door de ovendeuren en de gassen passeren door de down-comers in de verwarmingsflues gelegen in de ovenzool. Dit fluesysteem is onder de ovenvloer en hier, door middel van een verdere toelevering van omgevingslucht, vindt de volledige verbranding van het rauwe gas plaats bij temperaturen variërend van 1.200°C tot 1.400°C. De gassen gaan vervolgens naar een nabrandertunnel waar eventueel nog niet verbrande gassen geoxideerd worden. Het nabrandertunnelsysteem leidt de hete gassen naar de warmteherwinningsstoomgeneratoren.

In alle recente installaties wordt het hete afvalgas gebruikt om energie op te wekken, en vervolgens onderworpen aan ontzwaveling voordat het in de atmosfeer wordt uitgeblazen. De verkokingstijd varieert met de typen ovens en ligt tussen ongeveer 48 uur tot 72 uur afhankelijk van het ontwerp van de cokesovens. Na voltooiing van de verkokingstijd, wordt de cokes uitgeduwd en normaal nat gekeld.

Vanwege de negatieve druk, waaronder het verkokingsproces loopt, worden emissies van lekkages aan de deuren in principe vermeden. Stofemissies die optreden tijdens cokesuitduwing, worden afgezogen via een cokeszijschuur. Vaak worden zuigvoorzieningen aan de pusher-zijde geïnstalleerd, om emissies die tijdens laden ontstaan, op te vangen.

De technieken voor emissiecontrole tijdens laden, duwen en kelen zijn vergelijkbaar met die toegepast op de bijproductovens.

Vanwege de gegenereerde temperaturen, worden alle giftige koolwaterstoffen en bijproducten van de vluchtige stoffen binnen de oven geïncineerd. Hete gassen passeren in een afgastunnel naar warmteherwinningsstoomgeneratoren, waar hoogdrukstoom geproduceerd wordt voor verwarmingsdoeleinden of stroomopwekking. Het afgekoelde afgas wordt gereinigd in een rookgasontzwavelingsinstallatie voordat het in de atmosfeer wordt uitgeblazen. Het processtroomdiagram is getoond in Afbeelding 4.

Voordelen van Niet-Herwinningscokesovens

De diverse voordelen van de niet-herwinningsovens omvatten: (i) geen afvalwaterbehandelingsinstallatie nodig, (ii) geen netto afvalwaterafvoering aangezien al het afvalwater gebruikt wordt in cokeskelen, (iii) hogere flexibiliteit beschikbaar in de steenkoolmengselselectie vanwege de eliminatie van muurdrukbeperkingen, (iv) verbeterde cokessterkte toegeschreven aan langzame verwarming bij hogere temperaturen en langere doorlaattijd veroorzakend consistente kristalgroei, (v) hebben minder ruimte nodig vergeleken met cokesoven en bijproductfabriek, (vi) fabriek kan gebouwd worden met modulaire constructie, (vii) aangezien niet-herwinningsovens onder negatieve druk werken, resulteert dit in omgevingslucht die in de cokesoven getrokken wordt bij elk beschikbaar inlaatpunt en dus elimineert enige vluchtige emissies, (viii) gevaarlijke luchtverontreinigingen worden in de oven vernietigd door thermische oxidatie, en (ix) er zijn minder procescontrolepunten.