Optimaliseren van Koolstofverkooling voor Hoogwaardig Metallurgisch Cokes

Koolstofverkooling van Kool voor Metallurgische Cokes Productie

Koolstofverkooling van kool is ook bekend als coken van kool. Het proces bestaat uit thermische decompositie van kolen ofwel in afwezigheid van lucht of in gecontroleerde atmosfeer om een koolstofhoudend residu te produceren bekend als cokes.

Temperatuurbereiken

Koolstofverkooling van kool kan uitgevoerd worden in de volgende drie temperatuurbereiken.

• Lage temperatuur koolstofverkooling wordt normaal uitgevoerd in het temperatuurbereik van 500 °C tot 700 °C. In dit type koolstofverkooling zijn de opbrengsten van vloeibare producten hoger en is er lagere gasvormige productopbrengst. De geproduceerde cokes heeft hogere vluchtige stof en is vrij brandend.
• Middelbare temperatuur koolstofverkooling wordt gedaan bij temperatuurbereik van ongeveer 800 °C. Deze koolstofverkooling produceert rookloze zachte cokes. Bijproducten geproduceerd zijn vergelijkbaar in kenmerken met hoge temperatuur koolstofverkooling. Middelbare temperatuur koolstofverkooling wordt zelden meer toegepast.
• Hoge temperatuur koolstofverkooling wordt uitgevoerd bij een temperatuur die boven 900 °C ligt. Deze koolstofverkooling geeft hogere opbrengst van gasvormige producten en lagere opbrengst van vloeibare producten. Deze koolstofverkooling produceert harde cokes en wordt normaal ingezet voor de productie van metallurgische cokes van cokerende kolen.

Proces van Koolstofverkooling van Kool

De kool tot cokes transformatie vindt plaats naarmate de kool wordt verhit. Wanneer de toestand van smelten bereikt is, zakt de laag verhit kool zacht en smelt. Van ongeveer 375 °C tot 475 °C, decomposeert de kool om een plastische laag te vormen. Destructieve distillatiereacties verlopen snel in de plastische laag met evolutie van vluchtige producten. Bij ongeveer 475 °C tot 600 °C, is er een duidelijke evolutie van teer, en aromatische koolwaterstofverbindingen. Het gas en condenseerbare damp worden ingeperkt in de plastische massa en, naarmate ze expanderen, neigen ze ertoe te zwellen. Naarmate de reacties verlopen en de temperatuur van de gesmolten zone toeneemt, daalt de plastisiteit van de kool. Met voortgezette verhitting en evolutie van het gas, herzolidificeert de gesmolzen laag geleidelijk tot half-cokes met typische, cellulaire cokesstructuur. De cokes in dit stadium bevat nog steeds aanzienlijke vluchtige stof. Naarmate de temperatuur verder stijgt boven 600 °C, gaat de destructieve distillatiereactie door met de evolutie van gas en een beetje teer. De cokes stabilisatie vindt plaats naarmate de temperatuur stijgt van 600 °C tot 1100 °C. Dit wordt gekenmerkt door krimp van cokesmassa, structurele ontwikkeling van cokes en finale waterstofevolutie. In dit stadium vinden de finale reacties plaats. Deze reacties splitsen waterstof af van extrem complexe, hoge moleculaire gewicht koolwaterstoffen. Met toenemende temperatuur, krimpt de cokesmassa met de ontwikkeling van krimpkruiken.

Het Caking Mechanisme

Wanneer de cokerende kolen gekoold worden, wordt eerst de plastische massa van optische isotrope gevormd, en daarna geleidelijk laminaire nematische vloeistofkristallen gevormd. Deze polymere fase heet mesofase. Dit is de tussengefase tussen de isotrope vloeistof kool en de vaste anisotrope half-cokes uiteindelijk gevormd uit de mesofase, en heeft eigenschappen die tussen vast en vloeistof liggen. Als de vloeibaarheid van de tussengefase tamelijk hoog is, dan coalesceren mesofasen onmiddellijk in een enkele grotere eenheid. Over een bereik van toenemende temperatuur, wordt mesofase continu gevormd, groeit in grootte en raakt uiteindelijk elkaar. Zo kan de mesofase solidificeren en converteren van cokerende kool in optische anisotrope textuur van cokes.

Geschiedenis van Cokerende Kolen

Cokes werd geproduceerd in het oude China volgens historische bronnen daterend uit de vierde eeuw. De Chinese mensen gebruikten cokes eerst voor verwarming en koken niet later dan de negende eeuw. In 1709 werd een cokes-gefirde hoogoven om gietijzer te produceren in Groot-Brittannië vestigd. Tijdens de vroege 18e eeuw werd cokes vervaardigd door kool te verbranden in hoopen op de grond op een zodanige manier dat alleen de buitenlaag verbrandde, het interieur van de hoop in een gekoolde toestand achterlatend.

Het 'Hearth' proces van cokes maken, met behulp van blokkool, werd voortgezet om in veel gebieden gebruikt te worden tijdens de eerste helft van de 19e eeuw. Dit proces was vergelijkbaar met dat van houtskool verbranden maar met een hoop kolen bedekt met cokesstof in plaats van een hoop voorbereid hout, bedekt met takken, bladeren en aarde.

Deze leidden vervolgens tot de ontwikkeling van korvenoven van verschillende vormen en maten om te voldoen aan de toenemende eis van harde cokes voor ijzersmelten.

Korvenoven

Een korvenoven is een eenvoudige vuursteen kamer gebouwd met een gebogen dak zodat de vorm binnenin die van een oude stijl korven is. De afmetingen zijn typisch 4 m in breedte en 2,5 m in hoogte. Korvenoven worden meestal in rijen gebouwd, één oven naast de andere met gemeenschappelijke muren tussen burenoven. Zo'n rij ovens heet een batterij. Een batterij bestaat meestal uit veel ovens, soms honderden, in een rij. Typische doorsnede van een korvenoven is weergegeven in Fig 1.

Fig 1 Typische doorsnede van een korvenoven

Spoorwegen voor het hanteren van de kool naar de ovens liepen langs de top; en andere spoorwegen voor het hanteren van de cokeswagentjes liepen naast de ovens. Het dak heeft een gat voor het laden van de kool of ander aanstekingsmateriaal van boven. Het ontladingsgat is vorgesehen in de omtrek van het lagere deel van de muur.

Kool wordt in een lege oven geladen door het gat aan de top van de koepel. Het vormt een kegelvormige hoop wat wordt afgevlakt tot een uniforme laag door middel van een hark door de deur doorgegeven om een zelfs laag van ongeveer 600 mm tot 900 mm diep te produceren.

Het koolstofverkoolingsproces wordt gestart door middel van de warmte bewaard in de muren van de oven van de vorige lading kool. Bijna onmiddellijk na laden wordt gas bestaande uit vluchtige stof geproduceerd uit de kool. De lucht voor verbranding wordt toegelaten door een opening aan de top van the ovendeur of zijdeur. Start van koolstofverkooling produceert vluchtige stof wat binnenin de deels gesloten zijdeur verbrandt. Koolstofverkooling verloopt van boven naar beneden. Warmte wordt geleverd door het verbranden van vluchtige stof dus geen bijproducten worden herwonnen. De uitlaatgassen mogen naar de atmosfeer ontsnappen.

De cokeringstijd die grotendeels afhangt van de diepte van de laag kool, varieert van 48 tot 72 uur. Naarmate cokeren voortgaat, daalt het volume van geëvolueerd gas, en de grootte van de opening in de deur wordt overeenkomstig verkleind of door stenen aan de top opening te introduceren. Dit reguleert de hoeveelheid lucht en voorkomt de binnenkomst van een excessief volume lucht, wat anders een deel van de cokes zou verbranden en voldoende zou kunnen zijn om de oven ook af te koelen.

De hete cokes wordt met water gedoofd en ontladen, handmatig door de zijdeur. Wanneer cokeren compleet is, wordt de deur geopend en de wit-heet cokes gedoofd door stroom water gericht door de opening. De gedoofde cokes wordt dan handmatig van de oven geharkt en in treinen geladen voor transport. De muren en het dak behouden voldoende warmte om koolstofverkooling van de volgende lading te initiëren.

Wanneer kool in een cokesoven verbrandt, accumuleren de onzuiverheden van de kool niet al als gassen afgedreven om slag te vormen, wat effectief een conglomeratie is van de verwijderde onzuiverheden. Aangezien het niet het gewenste cokesproduct is, wordt slag ofwel weggegooid of gebruikt als ingrediënt in baksteenfabricatie, gemengde cement, en zelfs als meststof.

Nieuwe ovens worden op temperatuur gebracht door te verwarmen met kool of hout voor het laden.

Korven coken is nu een verouderd proces vanwege de kleine hoeveelheid die het produceerde en de zeer grote hoeveelheid verontreiniging die het produceerde. Echter het wordt nog steeds gebruikt.

Bijproduct Cokesoven Batterijen

Het maximum aan wereldwijde cokesproductie komt van deze batterijen. Kool in deze batterijen wordt gekoold in afwezigheid van lucht en deze batterijen worden bediend met positieve druk in de ovens. Het cokes maakproces in deze cokesoven batterijen heet bijproduct cokes maken aangezien het afgas verzameld wordt en naar de bijproductfabriek gestuurd wordt waar diverse bijproducten herwonnen worden. De meeste bijproduct cokesoven batterijen zijn geïntegreerd in een ijzer- en staalfabriek voor het doel van cokesovengas.

Details van cokes maken in bijproduct cokesoven batterijen en cokesoven bijproductfabriek zijn gegeven in afzonderlijke artikelen onder links https://www.ispatguru.com/coke-making-in-byproduct-coke-oven-batteries/ en https://www.ispatguru.com/coke-oven-by-product-plant/.

Niet-Herwinning Cokesoven Batterijen

In niet-herwinning cokesoven batterijen wordt de kool in grote ovenkamers gekoold. Het koolstofverkoolingsproces vindt plaats van boven door stralingswarmteoverdracht en van onder door geleiding van warmte door de zoolvloer. Primaire lucht voor verbranding wordt in de ovenkamer geïntroduceerd door verschillende poorten gelegen boven het laadniveau in zowel duwer en cokes zijde deuren van de oven. Gedeeltelijk verbrande gassen verlaten de bovenkamer door 'down comer' passages in de ovenmuur en treden de zoolvloer binnen, daarbij de zool van de oven verwarmen. Verbrande gassen verzamelen in een gemeenschappelijke tunnel en verlaten via een schoorsteen wat een natuurlijke trek in de oven creëert. Aangezien de bijproducten niet herwonnen worden, heet het proces niet-herwinning cokes maken. In deze batterijen verlaat het afvalgas meestal een afvalwarmte herwinningsketel wat de overige warmte omzet in stoom voor stroomopwekking, daarom heet dit proces ook warmteherwinning cokes maken. Details van cokes maken in niet-herwinning cokesoven batterijen zijn gegeven in apart artikel onder link https://www.ispatguru.com/non-recovery-coke-ovens-battery/.