Optimalisatie van cokesproductie in bijproduct cokesovenbatterijen

Cokes veroorzaakt tot 50% van de kosten tijdens de gietijzerproductie. De kosteneffectieve productie van hoge kwaliteit cokes is dus van primaire belangrijkheid voor de concurrentievoordeel van de ijzerproductie.

Metallurgische cokes wordt gebruikt in ijzer- en staalindustrie processen (voornamelijk in hoogovens) om ijzererts te reduceren tot ijzer. Meer dan 90 procent van de totale cokesproductie is gewijd aan hoogovenoperaties. Gietijzercokes vormt het grootste deel van de balans en wordt gebruikt bij gietereien in ovens voor het smelten van metaal en in de bereiding van gietvormen. Gietijzercokesproductie gebruikt een andere mengsel van cokeskolen, langere cokestijden, en lagere cokestemperaturen ten opzichte van die gebruikt voor metallurgische cokes.

Productieprocessen

De meeste cokes ter wereld wordt geproduceerd met behulp van bijproduct cokesovenbatterijen en de meeste cokesfabrieken zijn geïntegreerd met ijzer- en staalproductiefaciliteiten.

De fabricage van cokes door kolen te verwarmen in afwezigheid van lucht heeft zijn oorsprong aan het begin van de industriële revolutie toen Abraham Darby het gebruikte in het smelten van ijzererts in 1709 in Engeland. De methode van cokesproductie was initieel hetzelfde als voor de productie van houtskool, kolen ophopen in ronde hopen, de hopen ontbranden, en dan de zijkanten bekleden met klei. Dit legde de basis voor korfoven cokesproductie. Graduele vooruitgang leidde tot de ontwikkeling van korfoven, reverberatoire en bijproduct ovens, wat uiteindelijke leidde tot regeneratieve cokesovens met herwinning van de bijproducten ongeveer een eeuw geleden.

Kolen wordt omgezet in cokes in grote cokesovenbatterijen door de destructieve distillatie van kolen. Het cokesproces bestaat uit het verwarmen van kolen in afwezigheid van lucht om de vluchtige verbindingen af te drijven. Het resulterende materiaal is een koolstofmassa die cokes heet, wat een hard, maar porieus koolstofmateriaal is. De bijproduct cokesoven herwint de vluchtige stof van kolen in de vorm van cokesovengas, teeren, en oliën.

Er zijn drie bewezen processen voor de fabricage van metallurgische cokes. Deze zijn:

• Korfovens cokesovens. Deze ovens zijn non-recovery ovens
• Warmteherwinning of energieherwinning cokesovens. Deze cokesovens worden ook soms non-recovery cokesovens genoemd.
• Bijproduct cokesovens

Bijproduct cokesproductieproces omvat koolstoffing van kolen bij hoge temperaturen in een atmosfeer waar geen zuurstof is. Het proces verwijdert de vluchtige stof van kolen en concentreert de koolstof. In dit proces wordt het afgas verzameld en naar de bijproductfabriek gezonden waar diverse bijproducten (cokesovengas, teer, ammonia, en ruwe benzol) herwonnen worden.

Een bijproduct cokesovenfabriek heeft drie hoofdafdelingen nl. kolenhanteringsfabriek en kolenvoorbereidingsectie, bijproduct cokesovenbatterijen met faciliteiten van cokesafkoeling, en cokesbreken en zeefabriek. Typisch processtroom en emissiestromen van een bijproduct cokesovenfabriek zijn getoond in Figuur 1.

Cokeskolen en factoren die cokeskwaliteit beïnvloeden

Cokeskolen is een belangrijke grondstof in de productie van cokes in de bijproduct cokesovens aangezien het de cokeseigenschappen bepaalt. De vereiste cokeseigheden zijn uniforme grootte, goede sterkte (CRI, CSR en micum waarden), porositeit met minimaal vluchtige stof en minimaal as.

Cokeskolen kan geclassificeerd worden op basis van hun cokeseigenschappen. Zij zijn primaire cokeskolen, middelmatige cokeskolen, semi of lage cokeskolen. Cokeseigenschappen van kolen om goede cokes te produceren omvatten vloeibaarheid, dilatatie, kruisible zwellingsgetal, gray king waarde, rang van kolen aangegeven door gemiddelde maximum reflectantiewaarde (MMR), vitrinit en vitrinit verdeling (V9- V14). Naast cokeseigenschappen, andere belangrijke eigenschappen van kolen omvatten vocht, as, zwavel, fosfor en alkali percentages en as smelttemperatuur. Laag vocht, as, zwavel en fosfor gehalte in de kolen zijn wenselijk voor productie van goede kwaliteit cokes. Enkele van de andere eigenschappen van kolen die cokeskwaliteit beïnvloeden zijn deeltjesgrootte, bulk dichtheid, en verwittering van kolen. Cokeskolen kunnen ook laag, middelmatig, of hoog vluchtige stof hebben. Cokestemperatuur, cokessnelheid, wachttijd, afkoelpraktijk, en cokeshandling beïnvloeden ook cokeskwaliteit.

De kolen die aan de cokesovens geladen wordt is meestal een mengsel van twee of meer cokeskolen. Mengsel is vereist om de eigenschappen van de resulterende cokes te controleren, de kwaliteit en hoeveelheid van bijproducten te optimaliseren, en de expansie die door bepaalde typen kolen getoond wordt te vermijden die excessive druk op de ovenwanden tijdens het cokesproces kan veroorzaken.

Kolenhanteringsfabriek en kolenvoorbereidingsectie

Kolenhanteringsfabriek en kolenvoorbereidingsectie bereiden kolenmengsel voorbereid voor koolstoffing. De diverse betrokken stappen zijn lossen en opslag van kolen, mengen van kolen van diverse graden, kolenbreken en transport naar kolenopslagtoren.

Transportbanden brengen de kolen van kolenopslag naar de mengbakken waar de diverse typen kolen opgeslagen worden. Het gemengde kolen wordt overgebracht van de mengbakken naar de kolenbreker waar het gepulveriseerd wordt tot normaal een grootte van -3 mm.

Het gepulveriseerde kolen wordt dan gemengd en gemengd, en soms worden water en olie toegevoegd om de bulk dichtheid van het mengsel te controleren. Het voorbereide kolenmengsel wordt getransporteerd naar de kolenopslagtoren op de top van de cokesovenbatterij.

Kolen moet opgeslagen worden op diverse stadia van het voorbereidingsproces, en vervoerd worden rond de kolenvoorbereidingsectie. Breken en zeven zijn belangrijke delen van kolenhanteringsfabriek. Breken verlaagt de algehele grootte van de kolen zodat het makkelijker verwerkt en gehanteerd kan worden. Zeven worden gebruikt om de grootte van kolen te rangschikken. Zeven kunnen statisch zijn, of mechanisch getrild.

Bijproduct cokesovenbatterijen

Cokesovens zijn de kamers gemaakt van refraktariën om kolen om te zetten in cokes door kolen te koolstoffen in afwezigheid van lucht en daarbij de vluchtige stof uit kolen te distilleren. Bijproduct cokesovenfabriek bestaat uit een of meer cokesovenbatterijen die een aantal cokesovens bevatten (kan variëren van 20 tot 100 in elke batterij). De kolen wordt geladen in de cokesoven door laadgaten. Typische doorsnede van een 7 m hoge cokesovenbatterij is getoond in Figuur 2.

Een afgewogen hoeveelheid kolen wordt ontladen van de kolenopslagtoren in een laadwagen, wat het laadvoertuig is dat de lengte van de batterij kan afleggen. De laadwagen wordt gepositioneerd over de lege, hete oven, de deksels op de laadgaten worden verwijderd, en de kolen wordt ontladen uit de hoppers van de laadwagen in de oven.

Om de ontweiking van gassen uit de oven tijdens het laden te minimaliseren, wordt stoomaspiratie gebruikt om gassen uit de ruimte boven de geladen kolen in de verzamelmain te trekken. De ontlading van kolen uit de hoppers wordt 'getrapt' door de volgorde te controleren waarin elke hopper geleegd wordt om pieken van kolen te vermijden die de ruimte boven de kolen kunnen blokkeren, wat de verwijdering van gassen die gegenereerd worden tijdens het laden belemmert. Bij het einde van de laadvolgorde worden pieken van kolen in de oven geniveleerd door een staalstaaf die gekantileverd is van de duwwagen door een kleine deur aan de zijkant van de oven, de niveleerdeur genoemd. Dit nivellatieproces helpt bij uniforme cokesing en biedt een heldere damp ruimte en uitgangstunnel voor de gassen die zich ontwikkelen tijdens het cokesproces om te stromen naar het gasverzamelingssysteem. Na de oven geladen is met kolen, wordt de nivellatieurdeur gesloten, de deksels worden teruggeplaatst op de laadpoorten en afgedicht (geluwd) met een natte kleimengsel, de aspiratie wordt uitgezet, en de gassenmengsel, de aspiratie wordt uitgezet, en de gassen worden geleid in het afvoersysteem en verzamelmain.

Koolstoffingsproces

De transformatie van kolen naar cokes begint plaats te vinden. De warmte wordt overgedragen van de verwarmde baksteenwanden in de kolenlading. Van ongeveer 375 tot 475 °C, ontbindt de kolen om plastische lagen nabij elke wand te vormen. Bij ongeveer 475 tot 600 °C, is er een duidelijke evolutie van teer, en aromatische koolwaterstofverbindingen, gevolgd door re-solidificatie van de plastische massa in semi-cokes. Bij 600 tot 1100 °C, begint de cokesstabiliseringsfase. Dit wordt gekenmerkt door krimp van cokesmassa, structurele ontwikkeling van cokes en finale waterstofevolutie. Tijdens het plastische stadium, bewegen de plastische lagen van elke wand richting het centrum van de oven, de vrijgekomen gassen vangen en creëren in gasdrukopbouw wat overgedragen wordt aan de verwarmingswand. Eenmaal de plastische lagen in het centrum van de oven zijn samengekomen, is de gehele massa gekoolstoffd. De gloeiende cokesmassa wordt van de oven geduwd en is nat of droog geafkoeld.

De thermische distillatie vindt plaats in groepen ovens genaamd batterijen. Een batterij bestaat uit een aantal aangrenzende ovens met gemeenschappelijke zijwanden die gemaakt zijn van hoge kwaliteit silica en andere typen refraktarische bakstenen. De wand die aangrenzende ovens scheidt, alsook elke eindwand, is opgebouwd uit een serie verwarmingskanalen. Op elk moment branden de helft van de kanalen in een gegeven wand gas terwijl de andere helft afvalwarmte van de verbrandingskanalen naar een 'checker baksteen' warmtewisselaar en dan naar de verbrandingsstook overbrengt. Elke 20 tot 30 minuten keert de batterij om, en de afvalwarmtekanalen worden verbrandingskanalen terwijl de verbrandingskanalen de afvalwarmtekanalen worden. Dit proces biedt meer uniforme verwarming van de kolenmassa. De operatie van elke oven is cyclisch, maar de batterij bevat een voldoende groot aantal ovens om een in wezen continue stroom van rauwe cokesovengas te produceren. De individuele ovens worden geladen en geleegd op ongeveer gelijke tijdsintervallen tijdens de cokescyclus. Cokesing duurt 15 tot 18 uur om hoogovencokes te produceren. Tijdens deze periode distilleert de vluchtige stof van kolen uit als cokesovengas. De cokestijd wordt bepaald door het kolenmengsel, vochtgehalte, snelheid van onderverbranding, en de gewenste eigenschappen van de cokes. Wanneer de vraag naar cokes laag is, kunnen cokestijden verhoogd worden tot 24 uur. Cokestemperaturen variëren doorgaans van 900 tot 1100 °C en worden aan de hogere kant van het bereik gehouden om hoogovencokes te produceren. Lucht wordt voorkomen dat in de ovens lekt door een positieve terugdruk in de verzamelmain te handhaven. De ovens worden onder positieve druk gehouden door een hoge hydraulische main druk van ongeveer 10 mm waterkolom in batterijen te handhaven. De gassen en koolwaterstoffen die zich ontwikkelen tijdens de thermische distillatie worden verwijderd door het afvoersysteem en naar de bijproductfabriek gezonden voor herwinning.

De cokesing is compleet wanneer de centrale temperatuur in de oven rond 950-1000 °C is. Op dit punt wordt de oven geïsoleerd van de hydraulische mains en na correcte ontluchting van residuele gassen, worden de deuren geopend voor cokesduwen. Aan het einde van de cokesperiode heeft de cokesmassa een hoge volumekrimp wat leidt tot loslating van massa van de wanden wat eenvoudige duwing garandeert.

De controle van ovendruk is tamelijk belangrijk omdat lagere druk leidt tot luchtingang terwijl hogere druk leidt tot excessive gasvorming, lekkage van deuren, standpipe etc. Goede nivellering van kolen is belangrijk en zorg wordt gedragen zodat vrije boord ruimte boven (rond 300 mm) wordt gehandhaafd om verstoppingen te vermijden.

Aan het einde van de cokescyclus, worden de deuren aan beide uiteinden van de oven verwijderd en de gloeiende cokes van de oven geduwd door een ram die uitgezogen wordt van de duwmachine. De cokes wordt geduwd door een cokesgeleider in een afkoelwagen. De afkoelwagen brengt de cokes naar ofwel een natte afkoeltoren of droge afkoelinstallatie waar het afgekoeld wordt.

Cokesbreken en zeefabriek

De afgekoelde cokes wordt per transportband naar een breken en zeefabriek gebracht, ook cokesbreken en sorteerfabriek genoemd. Hier wordt de cokes gebroken en gezeefd tot de vereiste groottefracties. Tijdens breken en zeven wordt cokes gesorteerd in drie groottefracties. Deze zijn cokesbries (grootte – 10 mm), notencokes (grootte +10 mm tot – 25 mm) en hoogovencokes (+25 mm tot – 80 mm). De gegroepeerde hoogovencokes en notencokes worden getransporteerd naar hun respectievelijke opslagsysteem bij de hoogoven. De cokesbries wordt naar de sinterfabriek gezonden.