Cokesoven Bijproductcentrale: Optimaliseren van Gasafvang en Energie-efficiëntie

Cokesoven Bijproductcentrale

De cokesoven bijproductcentrale is een integraal onderdeel van het bijproduct-cokesproductieproces. Tijdens de productie van cokes door steenkoolverkooling in een cokesovenbatterij wordt een grote hoeveelheid gas gegenereerd door de verdamping van vluchtige bestanddelen in de steenkool. Het gas wordt gegenereerd over het grootste deel van de cokeringstijd, de samenstelling en de snelheid van ontwikkeling veranderend tijdens deze periode en normaal volledig wanneer de steenkoolladingstemperatuur 700 °C bereikt. Dit gas heet ruwe cokesovengas en wordt verwerkt in de bijproductcentrale. De functies van de bijproductcentrale zijn om het ruwe gas te verwerken om waardevolle steenkoolchemicaliën te herwinnen en het gas te conditioneren zodat het gebruikt kan worden als een schone, milieuvriendelijke brandstofgas.

Gasafkoeling en Scheiding

Na het verlaten van de cokesovenkamers, wordt het ruwe cokesovengas besproeid met spoelvloeistof om de temperatuur te verlagen tot een redelijk laag niveau en de meest gemakkelijk condenseerbare (hoge kokendpunt) componenten te condenseren. Het ruwe gas wordt geconditioneerd door adiabatische verdamping van een deel van de spoelvloeistof tot ongeveer 80 °C en is waterverzadigd. De temperatuur van het gas wordt voldoende laag zodat het in de gasverzamelmain kan worden afgehandeld. Van de gasverzamelmain stroomt het ruwe cokesovengas in de zuigmain. De hoeveelheid gesproeide spoelvloeistof in het hete gas dat de ovenkamers verlaat is veel meer dan nodig voor afkoeling, en de overgebleven spoelvloeistof die niet verdampt, levert een vloeistofstroom in de gasverzamelmain. Op dit stadium zijn er twee stromen: een vloeistofcondensaatstroom en een gasstroom. De twee stromen passeren een vlinderregelklep voordat ze het cokesovenbatterijgebied verlaten. Deze regelklep is ingesteld om een lichte overdruk in de verzamelmain te handhaven om veilige werkomstandigheden in de cokesovenkamers te bieden.

De vloeistofstroom in de gasverzamelmain spoelt gecondenseerde teer en andere verbindingen weg. De stroom van spoelvloeistof stroomt onder zwaartekracht in de zuigmain samen met het ruwe cokesovengas. Het ruwe cokesovengas en de spoelvloeistof worden gescheiden met behulp van een aflooppot (de downcomer) in de zuigmain. De spoelvloeistof en het ruwe cokesovengas stromen dan apart naar de bijproductcentrale voor behandeling.

Verzadigd ruw gas afkomstig van de cokesovenbatterij bevat ongeveer 46% tot 48% waterdamp. Andere componenten van ruw gas bevatten waterstof, methaan, stikstof, koolmonoxide, kooldioxide, hoge paraffines en onverzadigde koolwaterstoffen (ethaan, propaan, etc.), en zuurstof, etc. Ruw cokesovengas bevat ook diverse verontreinigingen, die cokesovengas zijn unieke kenmerken geven. Deze bestaan uit:

• Teercomponenten
• Teerzuurgassen (fenolische gassen)
• Teerbasisgassen (pyridinebasen)
• Benzeen, tolueen en xyleen (BTX), lichte olie en andere aromaten
• Naftaleen
• Ammoniakgas
• Waterstofsulfiedgas
• Waterstofcyanidegas
• Ammoniumchloride
• Kooldisulfide

Functies van een Bijproductcentrale

Om ruwe cokesovengas geschikt te maken voor gebruik als een schone, milieuvriendelijke brandstofgas, moet de bijproductcentrale de volgende functies uitvoeren:

• Het cokesovengas afkoelen voor condensatie van waterdamp en verontreinigingen
• Teeraerosolen verwijderen om gasleidingen/apparatuurverontreiniging te voorkomen
• Ammoniak verwijderen om gasleidingcorrosie te voorkomen
• Naftaleen verwijderen om gasleidingverstoppingen door condensatie te voorkomen
• Lichte olie verwijderen voor herwinning en verkoop van benzeen, tolueen en xyleen (BTX)
• Waterstofsulfied verwijderen om te voldoen aan lokale emissiereglementen voor de verbranding van cokesovengas.

Naast het behandelen van het cokesovengas, moet de bijproductcentrale ook de spoelvloeistof conditioneren die terugkeert naar de cokesovenbatterij, en het afvalwater behandelen dat gegenereerd wordt door het cokesproductieproces. Typisch blokdiagram van de bijproductcentrale is weergegeven in Fig 1.

Fig 1 Typisch blokdiagram van bijproductcentrale

Teer- en Vloeistofverwerkingscentrale

De teer- en vloeistofcentrale verwerkt de spoelvloeistof die circuleert tussen de bijproductcentrale en de cokesovenbatterij. Het verwerkt ook het afvalwater dat gegenereerd wordt door het cokesproductieproces en dat voortkomt uit steenkoolvocht en chemisch gebonden water in de steenkool. De hoofdfuncties van deze centrale zijn als volgt:

• Continue snelle scheiding van een geschikte spoelvloeistofstroom. Dit is een zeer belangrijke functie aangezien deze stroom nodig is om de hete ovenuitlaatgassen af te koelen tot een temperatuur die in het gasverzamelsysteem kan worden afgehandeld.
• Scheiding van een schone en teervrije overmaat ammoniakvloeistof voor verdere verwerking.
• Scheiding van een schone teer essentieel vrij van water en vastestoffen.

Omdat de spoelvloeistoftoevoer zeer belangrijk is, worden reserveapparaten normaal geleverd voor spoelvloeistofdecantering en recirculatie.

De spoelvloeistof stroomt in teerdecanters waar de teer zich scheidt van het water en wordt gepompt naar teeropslag voor verwerking in teerdestillatiecentrale of voor verkoop. Zwaardere vaste deeltjes scheiden zich uit de teerlaag en deze worden verwijderd als teerdecanterslib. De waterige vloeistof wordt vervolgens teruggepompt naar de batterij, met een deel afgetapt uit de circuit wat de cokesfabriek 'overmaat vloeistof' of afvalwater is. Dit bevat ammoniak en, na verdere verwijdering van teerdeeltjes, wordt het gestript in een kolom met stoom. Een alkali zoals natriumhydroxide wordt in de kolom toegevoegd om ammoniakverbindingen opgelost in de vloeistof te decomponeren. De ammoniakdamp uit de kolom wordt dan ofwel in het cokesovengas upstream van het ammoniakverwijderingssysteem gevoed, of de kolom zelf is vaak geïntegreerd in het ammoniakverwijderingssysteem. Op welke manier dan ook, het uiteindelijke lot van het ammoniak verwijderd uit zowel het cokesovengas als het afvalwater is hetzelfde. Het gestripte kolomeffluent wordt ofwel gelost of in een on-site biologische afvalwaterbehandelingscentrale behandeld om restammoniak, fenol en cyaniden te verwijderen.

Gasbehandelingsprocessen

De gasbehandelingsprocessen in de bijproductcentrale bestaan meestal uit de volgende centrale apparaten:

Primaire Gascooler

Primaire gascooler koelt het ruwe cokesovengas om waterdamp te verwijderen en het volume te reduceren. Primaire coolers zijn twee basistypen: het sproeitype cooler en het horizontale buistype. In een sproeitype cooler wordt het cokesovengas gekoeld door direct contact met een gerecirculeerd watersproei, waarbij het contactkoelwater zelf extern in warmtewisselaars wordt gekoeld. In het buistype stroomt het cokesovengas indirect langs horizontaal gemonteerde buizen door welke koelwater wordt gepompt. In dit geval komt het koelwater niet in contact met het cokesovengas en kan het bijvoorbeeld in een koeltoren worden gekoeld. Naarmate het cokesovengas wordt gekoeld, condenseren water, teer en naftaleen uit. Het condensaat verzamelt in het primaire coolersysteem en wordt afgevoerd naar de teer- en vloeistofverwerkingscentrale.

Teerprecipitatoren

Naarmate het ruwe cokesovengas wordt gekoeld, condenseert teerdamp en vormt aerosolen die mee worden gedragen met de gasstroom. Deze teerdeeltjes verontreinigen en vervuilen downstream processen en vervuilen gasleidingen en brandertoestellen als ze in de gasstroom mogen voortduren. De teerprecipitatoren gebruiken typisch hoge-spannings elektrode om de teerdeeltjes te laden en ze vervolgens uit de gasstroom te verzamelen door middel van elektrostatische aantrekking. De teerprecipitatoren kunnen voor of na de exhauster geïnstalleerd worden.

Exhauster

De exhauster levert de dryvende kracht om het cokesovengas te laten stromen van de cokesovenbatterij en door de bijproductcentrale. De exhauster is van vitaal belang voor de operatie van de cokesovenbatterij. Het stelt nauwe controle van de gasdruk in de verzamelmain in, wat op zijn beurt de graad van emissies in de cokesovenbatterij beïnvloedt zoals deur-emissies. Een storing van de exhauster zal onmiddellijk leiden tot ontluchting naar de atmosfeer van alle gegenereerde ruwe cokesovengas door de batterijfakkels.

Ammoniakverwijdering

Vanwege de bijtende aard van ammoniak, is de verwijdering ervan zeer noodzakelijk in bijproductcentrales. De verwijdering van ammoniak uit cokesovengas resulteert in opbrengst van ammoniumsulfate, een verkoopbaar product. Het ammoniumsulfateproces omvat basiscontact van het cokesovengas met een oplossing van zwavelzuur. De verschillende variaties omvatten het gebruik van een absorber, waarin de zwavelzuuroplossing in het gas wordt gesproeid, of het gebruik van een verzadder waarin het gas door een bad van zwavelzuuroplossing wordt gebubbeld. Het zwavelzuur reageert gemakkelijk met de ammoniak in het cokesovengas om ammoniumsulfate te vormen. Dit wordt vervolgens uitgekristalliseerd, uit de oplossing verwijderd en gedroogd en verkocht als meststof. Modernere processen voor ammoniakverwijdering omvatten het waterwassenproces waarin het cokesovengas wordt gescrubd door water, wat de ammoniak oplost, samen met een deel waterstofsulfied en waterstofcyanide. De resulterende scruboplossing wordt naar ammoniakkolom gepompt waar stoom wordt gebruikt om de ammoniak te strippen. De ammoniakdampen uit de kolom kunnen verwerkt worden om ammoniumsulfate te vormen, gecondenseerd om een sterke ammoniakoplossing te vormen, verbrand of katalytisch omgezet in stikstof en waterstof die dan terug in het cokesovengas worden gerecycled.

Een ander proces voor ammoniakverwijdering uit cokesovengas is het PHOSAM-proces ontwikkeld door US Steel. Dit proces absorbeert de ammoniak uit het cokesovengas met een oplossing van mono-ammoniumfosfaat. Het proces produceert verkoopbaar anhydre ammoniak.

Eind Gascooler

Eind gascooler verwijdert de compressiewarmte van het cokesovengas die het opneemt tijdens het stromen door de exhauster. Dit is noodzakelijk omdat de efficiënties van veel van de bijproductcentrale processen aanzienlijk verbeteren bij lagere temperatuur. De eind gascooler wordt daarom upstream van waterwassen ammoniak scrubbers geplaatst. Eind gascoolers koelen typisch het cokesovengas door direct contact met een koelmedium, ofwel water of wasolie. Een belangrijk aspect van de eind gascooler operatie is dat wanneer het cokesovengas onder de uitlaattemperatuur van de primaire gascooler wordt gekoeld, naftaleen uit het gas zal condenseren. Deze naftaleen kristalliseert gemakkelijk uit het koelmedium en zal apparatuur vervuilen als niet afgevoerd. In wasolie eind gascoolers lost de naftaleen op in de wasolie en een zijstroom van olie wordt gestript met stoom om de naftaleen te verwijderen. Als water wordt gebruikt om het cokesovengas te koelen, wordt de gecondenseerde naftaleen geabsorbeerd door teer. De teer is ofwel verstrengeld in het koelwater, met een deel van de stroom continu afgeblazen voor behandeling, of het neemt de vorm aan van een teerlaag doorheen welke het koelwater stroomt. De teer wordt continu uitgewisseld met verse teer van de teer- en vloeistofverwerkingscentrale om de geabsorbeerde naftaleen te verwerken.

Naftaleenverwijdering

Naftaleen wordt uit cokesovengas verwijderd in een gasscrubbervaat met wasolie. Het vaat kan van het gepakte type zijn of van het 'void' type waarin de wasolie in meerdere stadia in het gesproeid wordt. De wasolieregeneratie gebeurt door de naftaleen uit de wasolie te strippen met stoom in een kolom. In sommige centrales is naftaleenverwijdering geïntegreerd met het vergelijkbare proces van lichte olie verwijdering. De naftaleen wordt vaak herwonnen als een zwaardere oliestroom die vervolgens gemengd wordt met de teer geproduceerd in de bijproductcentrale.

Lichte Olie

Het is een algemene term voor een mengsel van vergelijkbare chemicaliën bestaande hoofdzakelijk uit benzeen, tolueen en xyleen (BTX). Het is ook bekend als Benzol olie. De verwijdering van lichte olie uit cokesovengas gebruikt wasolie in een vergelijkbaar proces als beschreven voor naftaleenverwijdering. De lichte olie wordt van de wasolie in een kolom gestript en vervolgens gecondenseerd om ruwe lichte olie te vormen. Deze olie kan ofwel verkocht worden voor verdere raffinage off-site of kan in de bijproductcentrale worden geraffineerd met behulp van verschillende destillatiestappen in de lichte olie centrale. De lichte olie kan eigenlijk in het cokesovengas blijven, waar het de calorische waarde verhoogt.

Cokesovengas Desulfurisatie

Er zijn verschillende verschillende processen voor verwijdering van waterstofsulfied uit cokesovengas. Het specifieke proces bepaalt waar in de gastrein het geïnstalleerd is. De hoofddesulfurisatieprocessen in gebruik zijn vacuümproces, ammoniakproces, wasproces, sulfibanproces, en clausproces.