Hoe bijproduct-cokesovenbatterijen cokes produceren voor staalproductie

Cokesproductie in bijproduct-cokesovenbatterijen begrijpen

Cokes is een van de basismaterialen gebruikt in hoogovens voor de omzetting van ijzererts in hot metal (vloeibaar ijzer), waarvan het grootste deel vervolgens verwerkt wordt tot staal. Het grootste deel van de geproduceerde cokes wordt gebruikt voor de productie van hot metal. Cokes wordt ook gebruikt door een aantal andere industrieën, nl. ijzergieterijen, non-ferro smelters, en chemische planten. Het wordt ook in staalproductie gebruikt als verkoolmateriaal.

Cokes en cokesbijproducten, inclusief cokesovengas, worden geproduceerd door de pyrolyse (verhitting in afwezigheid van lucht) van geschikte graden steenkool. Het proces omvat ook de verwerking van cokesovengas om teer, ammoniak (meestal herwonnen als ammoniumsulfaat), fenol, naphthalene, lichte olie, en zwavel te verwijderen, en zwavel onder links n van steenkool) periode.e deurg stikstofgas wordt gebruikt voor de productie van stoom en dan stroom.ur vóór het gas wordt gebruikt als brandstof voor het verwarmen de ovens.

Sectoren in de cokesindustrie

De cokesindustrie bestaat uit twee sectoren: geïntegreerde fabrieken en koopliedenfabrieken. Geïntegreerde fabrieken zijn eigendom van of geaffilieerd met ijzer- en staalproducerende fabrieken die hoogoofscokes primair produceren voor eigen verbruik in hun hoogovens. Onafhankelijke koopliedenfabrieken produceren hoogoofs- en/of gieterijcokes voor verkoop op de vrije markt. Deze fabrieken verkopen het grootste deel van hun producten aan andere fabrieken betrokken bij hoogoofs-, gieterij- en non-ferro smeltoperaties.

Cokeskwaliteit en cokeskool

Een goede kwaliteit cokes wordt doorgaans gemaakt uit verkooling van goede kwaliteit cokeskool. Cokeskolen zijn gedefinieerd als die kolen die bij verkooling door verzwakkingen, zwellingen, en herverstarding tot cokes gaan. Een belangrijke overweging bij het selecteren van een kolenmengsel is dat het geen hoge cokesovenwanddruk mag uitoefenen en voldoende moet samentrekken om de cokes uit de oven te duwen. (Zie artikelen onder links cokeskolen, en steenkool.)

Cokes is een vast koolstofhoudend materiaal geproduceerd door destructieve distillatie (ook bekend als verkooling) van laag-as en bij voorkeur laag-zwavel bitumineuze steenkool. Steenkool wordt gedestilleerd in ovens bij gecontroleerde temperatuur van ongeveer 1100-1200 °C en cokes wordt geproduceerd als een brandbaar residu bestaande uit residueel as en vast koolstof, en in het proces worden de onzuiverheden in steenkool, zoals vluchtige stoffen (teeren, olie en vet, etc.), afgedreven. Het wordt beschouwd dat een niveau van ongeveer 25% vluchtige stoffen (VM) in de steenkool goed is voor cokesdoeleinden. Het distillatieproces bij gecontroleerde temperatuur laat verbranding van koolstof in steenkool niet toe. Zie artikel onder link verkooling van steenkool voor metallurgische cokesproductie.

Cokes afgeleid van steenkool is doorgaans grijs, hard en poreus. Cokes, ook bekend als laag-as metallurgische cokes (LAMC), wordt in hoogoof gebruikt voor de productie van ijzer. Cokes fungeert zowel als reducerend middel als bron van brandstof om de warmte voor het proces te leveren. Cokes wordt ook gebruikt in de ferrolegering, grafiet en roetindustrie. Zie artikel onder link metallurgische cokes.

De cokeseigenschappen van steenkool zijn cruciaal voor cokesproductie. Cokeseigenschappen zijn essentiële en unieke eigenschappen van steenkool gebruikt voor cokes. Als cokeskool wordt verhit, passeert het een gebied waar het heel plastisch wordt, verzwakt, zwelt en dan herverstardt. Het herverstarde residu is een cellulaire cokesmassa. Niet-cokeskolen, bij distillatie, vormen geen cokes maar vormen een non-coherente of zwak coherente char.

De eigenschappen van cokes en cokesovenduwprestaties worden beïnvloed door diverse steenkoolkwaliteit en batterijoperatievariabelen waaronder: (i) rang van steenkool, (ii) petrografische, chemische en rheologische kenmerken van steenkool, (iii) deeltjesgrootte, (iv) vochtgehalte, (v) bulkdichtheid, (vi) verwittering van steenkool, (vii) cokestemperatuur en cokessnelheid, (viii) dooittijd, (ix) afkoelpraktijk, en (x) cokeshanteing. Cokeskwaliteitsvariabiliteit is laag, als al deze factoren gecontroleerd zijn. Cokesproducenten gebruiken wijd uiteenlopende kolen en passen veel procedures toe om de kwaliteit van de cokes en de cokesovenproductiviteit en batterijlevensduur te verbeteren.

De steenkool die in bijproduct-cokesovens geladen wordt, is meestal een mengsel van twee of meer lage, medium, of hoge vluchtige kolen die normaal laag in zwavel en as zijn. Mengen is meestal nodig om de eigenschappen van de resulterende cokes te controleren, de kwaliteit en hoeveelheid van bijproducten te optimaliseren, en de expansie die door bepaalde typen steenkool getoond wordt te vermijden, die overmatige druk op de ovenwanden tijdens het cokesproces kan veroorzaken.

Steenkoolvoorbereiding

Steenkool wordt meestal ontvangen in spoorwagens. Stappen van steenkoolvoorbereiding voor cokes omvatten ontvangst, voorlopig breken, opslaan, proportioneren, cokesafvaltoevoeging aan het kolenmengsel, eindbreken, mengen en transport van het kolenmengsel naar de kolentoren.

Transportbanden brengen de steenkool naar benodigde hoeveelheid van de steenkoolopslaghoop naar mengbakken waar de diverse typen steenkool opgeslagen worden. De steenkool wordt dan overgebracht van de mengbakken naar een breker waar het gepulveriseerd wordt tot een grootte van min 3,2 mm (85% minimum). De gewenste grootte hangt af van de reactie van de steenkool op cokesreacties en de uiteindelijke gewenste cokessterkte. Lage vluchtige kolen cokes makkelijker als de deeltjesgrootte klein is, en kleinere deeltjes worden gerapporteerd om de cokessterkte te verhogen.

De gepulveriseerde steenkool wordt dan gemengd en gemengd, en soms worden water en olie toegevoegd om de bulkdichtheid van het mengsel te controleren. Het gemengde kolenmengsel wordt getransporteerd naar de kolentoren opslagbunkers op de top van de cokesovenbatterij.

Speciale technieken van kolenmengselvoorbereiding voor cokes omvatten: (i) selectief breken van kolen met gebruik van pneumatische scheiding, (ii) thermische behandeling (voorverhitting) van het kolenmengsel vóór cokes, (iii) gedeeltelijke brikettering van het kolenmengsel, en (iv) kolenmengselvoorbereiding voor stempelen.

Laden en cokesproces

De laadmethode bij bovenlaad is normaal door zwaartekracht met kolenlaadwagen. Bij gestempelde lading wordt de gestempelde kolentaart van de ovenduwer zijdeur geladen.

Bij bovenlaad door zwaartekracht, wordt een afgewogen hoeveelheid of specifiek volume steenkool ontladen van de kolentoren in een laadwagen die op de top van de batterij beweegt. De laadwagen wordt gepositioneerd over de lege, hete oven (genaamd 'spotting'), de deksels op de laadpoorten worden verwijderd, en de steenkool wordt ontladen uit de hoppers van de laadwagen in de oven. Om de ontwijking van gassen uit de oven tijdens laden te minimaliseren, wordt stoomaspiratie gebruikt om gassen uit de ruimte boven de geladen steenkool in een verzamelmain te trekken.

Pieken van steenkool vormen zich direct onder de laadpoorten als de oven gevuld wordt. Deze pieken worden gelijkgewerkt door een staal gelijkwerkingsstaaf die door de duwmachine door een kleine deur aan de zijkant van de oven, de gelijkwerkings- of 'chuck'-deur, wordt ingevoegd. Het gelijkwerkingsproces bevordert uniform cokes en biedt een heldere damp-ruimte en uitgangstunnel voor de gassen die tijdens cokes ontvloeien om naar het gasverzamelingssysteem te stromen. Na vullen worden de gelijkwerkingsdeur en de bovenzijde laadpoorten gesloten. De laadpoorten kunnen verzegeld worden met een nat kleimengsel genaamd luting. De aspiratie wordt uitgezet, en de gassen worden in het afvoersysteem en de verzamelmain geleid.

Thermische distillatie (cokesproces) vindt plaats in groepen ovens genaamd cokesovenbatterij. Een batterij bestaat uit 20 tot 100 aanliggende ovens met gemeenschappelijke zijwanden van hoogwaardige silica en andere typen vuurvaste stenen. Typisch zijn de individuele cokesovens 11 m tot 18,74 m lang, 0,35 m tot 0,5 m breed, en 3,0 m tot 7,4 m hoog. De wand die aangrenzende ovens scheidt, alsook elke eindwand, bestaat uit een reeks verwarmingskanalen. De meerderheid van bijproductbatterijen heeft verticale kanalen, maar een paar batterijen van erg oud ontwerp hebben horizontale kanalen. In tegenstelling tot verticale kanaalbatterijen die een groot aantal individuele kanalen langs elke ovenwand omvatten, omvat het horizontale kanaalsysteemontwerp slechts een klein aantal horizontale kanalen die de verbrandingsgassen van boven naar beneden in slangenvorm transporteren.

De verwarmingssystemen (onder vuur) vallen in twee algemene klassen: (i) onderstraal, en (ii) kanon-kanaal. In het onderstraal verwarmingssysteem wordt het kanaalgas in elk kanaal geïntroduceerd vanuit piping in de kelder van de batterij. De gasstroom naar elk kanaal kan gemeten en gecontroleerd worden. Het kanon-kanaalsysteem introduceert het gas door een horizontale gasgeleiding die de lengte van elke wand iets onder de ovenvloerlijn uitstrekt. Korte geleiden leiden omhoog naar een zuigsteen aan de bodem van elk van de verticale kanalen. Moderne batterijen zijn uitgerust met PVR-systeem met tweevoudige verticale kanalen met recirculatie van afvalgassen.

Op elk moment brandt de helft van de kanalen in een gegeven wand gas terwijl de andere helft afvalwarmte van de verbrandingskanalen naar een warmtewisselaar en dan naar de verbrandingschoor transporteert. Elke 20 tot 30 minuten 'keert de batterij om', en de voormalige afvalwarmtekanalen worden verbrandingskanalen terwijl de voormalige verbrandingskanalen afvalwarmtekanalen worden. Dit proces voorkomt het smelten van de batterijbakstenen (de vlamtemperatuur is boven het smeltpunt van de baksteen) en biedt meer uniforme verwarming van de kolenmassa. Elke oven houdt tussen 15 ton en 50 ton steenkool, afhankelijk van het ovenvolume.

Afvoorkanalen verwijderen gassen die tijdens het destructieve distillatieproces ontvloeien. Proceswarmte komt van de verbranding van gassen tussen de cokeskamers. De operatie van elke oven in de batterij is cyclisch en de cyclusduur heet cokesperiode. De batterijen bevatten doorgaans een voldoende groot aantal ovens zodat de opbrengst van bijproducten essentieel continu is. De individuele ovens worden geladen en ontladen op ongeveer gelijke tijdsintervallen tijdens de cokescyclus. Cokes duurt 15 tot 18 uur voor hoogoofscokes en 25 tot 30 uur voor gieterijcokes. De cokestijd wordt bepaald door het kolenmengsel, vochtgehalte, onderbrandingsnelheid, en de gewenste eigenschappen van de cokes.

Wanneer de cokesafvoer laag is, kunnen cokestijden verlengd worden tot 24 uur voor hoogoofscokes en tot 48 uur voor gieterijcokes. Cokestemperaturen varieren doorgaans van 900 °C tot 1.100 °C en liggen aan de hogere kant van het bereik voor het produceren van hoogoofscokes.

Tijdens het cokesproces is de kolenlading in direct contact met de verwarmde wandoppervlakken en ontwikkelt zich tot een aggregaat 'plastische zone'. Naarmate thermische energie geabsorbeerd wordt, verdikt de plastische zone en samengevoegd richting het midden van de lading. Vluchtige gassen ontsnappen voor het ontwikkelende front door warmtevoortgang van de zijwanden. De maximum temperatuur bereikt in het centrum van de cokesmassa is meestal 1.100 °C tot 1.500 °C. Bij deze temperatuur verdampt alle vluchtige stof uit de kolenmassa en vormt een hoogwaardige metallurgische cokes.

Lucht wordt voorkomen in de ovens te lekken door een positieve achterdruk van ongeveer 10 mm waterkolom te handhaven. De gassen en koolwaterstoffen die tijdens thermische distillatie ontvloeien, worden door het afvoersysteem verwijderd en naar de bijproductenfabriek gestuurd voor herwinning.

Elke oven wordt gedempt van de verzamelmain nabij het einde van de cokesperiode, typisch wanneer derde of vierde in de rij om geduwd te worden. Eenmaal een oven gedempt, wordt de standpijpkap geopend om druk te verlichten. Vluchtige gassen die door de open standpijp uitstromen, worden ontbrand als ze niet zelf ontbranden en mogen branden tot de oven is geduwd. Bij sommige batterijen wordt een trek gecreëerd door de top van de oven door beide standpijpen open te zetten (op een dubbele main batterij) of een laaddeksel terwijl de standpijp open is. Deze praktijk, bekend als beehiving, kan resulteren in dikke donkere emissies als de oven niet volledig gecokst is.

Aan het einde van de cokesperiode worden de deuren aan beide uiteinden van de oven verwijderd, en de gloeiende cokes wordt uit de cokeszijde van de oven geduwd door een ram die uitgezogen wordt van de duwmachine. De cokes wordt geduwd door een cokesgeleider in een speciaal railwagentje, een kwinkar, dat de cokeszijde van de batterij aflegt. De kwinkar brengt de cokes naar een kwinktoren, typisch gelegen aan het einde van een rij batterijen. Binnen de kwinktoren wordt de hete cokes overstort met water zodat het niet doorgaat met branden na blootstelling aan lucht. De gekwinkte cokes wordt ontladen op een scheve 'cokeswal' om overmatig water te laten aflopen en de cokes af te koelen tot een redelijke temperatuur. Poorten langs de onderrand van de wal controleren de snelheid waarmee de cokes op het transportband valt dat het naar een brek- en screensysteem brengt.

Bij cokes droge koeling (CDC), is de kwinkar bekend als cokesemmerkar. Het CDC-systeem omvat een twee-traps CDC-kamer (met voor-koel- en koelkamer), een ketel, en een stofherwinningsnetwerk. Hete cokes wordt in een emmerkar geduwd die de cokes naar de CDC-fabriek transporteert. De cokes wordt geladen in de voor-koelkamer aan de top van de CDC-kamer. Overmatige stof wordt uit het voor-koelgebied overgebracht en de hete cokes wordt in batches in de koelkamer eronder geladen. Inert gas (meestal stikstof) wordt in een gesloten circuit gecirculeerd tussen de koelkamer en de ketel, waar warmte van de cokes herwonnen en overgebracht wordt in stoom met warmtewisselaars. Gekoelde cokes wordt van de bodem van de koelkamer ontladen. Zie artikel onder link droge koeling van cokes.

De rauwe cokesovengas verzameld van de batterij wordt verwerkt om teer, ammoniak (meestal herwonnen als ammoniumsulfaat), fenol, naphthalene, lichte olie, en zwavel te verwijderen vóór het gas wordt gebruikt als brandstof voor het verwarmen van de ovens.

Bijproductenherwinning

Gassen die tijdens cokes ontvloeien, verlaten de cokesoven door standpijpen, passeren goosenecks, en reizen door een klep naar de gasverzamelmain die de gassen naar de bijproductenfabriek leidt. Deze gassen vormen 20% tot 35% per gewicht van de initiële kolenlading en zijn samengesteld uit waterdamp, teer, lichte oliën, zware koolwaterstoffen, en andere chemische verbindingen.

De rauwe cokesovengas verlaat de ovens bij temperaturen geschat op 760 °C tot 870 °C en wordt geschokt gekoold door gespoten gerecycleerde spoelvloeistof in de gooseneck. Deze sproeier koelt het gas af tot 80 °C tot 100 °C, neerslaat teer, condenseert diverse dampen, en fungeert als draagmedium voor de gecondenseerde verbindingen. Deze producten worden gescheiden van de vloeistof in een decanter en vervolgens verwerkt om teer en teerderivaten op te leveren.

Het gas wordt dan doorgegeven aan een finale teerextractor of een electrostatische precipitator voor additionele teerverwijdering. Wanneer het gas de teerextractor verlaat, draagt het 75% van de ammoniak en 95% van de lichte olie (voornamelijk benzeen, tolueen, en xyleen) oorspronkelijk aanwezig in de rauwe cokesovengas.

De ammoniak wordt herwonnen ofwel als waterige oplossing door waterabsorptie of als ammoniumsulfaatzout. Ammoniumsulfaat wordt gekristalliseerd in een verzadiger die een oplossing van 5% tot 10% zwavelzuur bevat en door een luchtinjector of centrifugaal pomp verwijderd. Het zout wordt gedroogd in een centrifuge en verwijderd.

Het gas dat de verzadiger verlaat bij ongeveer 60 °C wordt naar finale koelers of condensators gebracht waar het typisch indirect gekoeld wordt tot ongeveer 24 °C. Het gekoelde gas wordt in een lichte olie- of benzolwasmachine geleid, over welke een zware petroleumfractie genaamd wasolie of teerolie gecirculeerd wordt die fungeert als absorptiemedium. De olie wordt in de top van de gevulde absorptietoren gespoten terwijl het gas door de toren opwaarts stroomt. De wasolie absorbeert ongeveer 2% tot 3% van zijn gewicht in lichte olie, met een verwijderingsefficiëntie van ongeveer 95% van de lichte olie damp in het gas. De rijke wasolie wordt door een counterstroom stoomstrippingskolom geleid. De stoom en lichte olie dampen passeren opwaarts van de distilleerder door een warmtewisselaar naar een condenser en waterafscheider. De lichte olie kan als ruw verkocht of verwerkt worden om benzeen, tolueen, xyleen, en oplosmiddel naphthalene te herwinnen.

Na teer, ammoniak, en lichte olie verwijdering, ondergaat het gas een finale desulfurisatieproces in veel cokesovenfabrieken om H₂S te verwijderen vóór gebruik als brandstof. De cokesovengas heeft een redelijk hoge calorische waarde, in de orde van 4400 kcal/m³. Zie artikelen onder links cokesoven-bijproductenfabriek, en cokesovengas-generatie en gebruik.

Een typisch stroomdiagram van de bijproduct-cokesovenfabriek is in Fig 1.

Fig 1 Typisch stroomdiagram van een bijproduct-cokesovenfabriek

Milieukwesties

De cokesoven is een grote bron van vluchtige luchtemissies. Het cokesproces emiteert deeltjesmaterie (PM), vluchtige organische verbindingen (VOCs), polynucleaire aromatische koolwaterstoffen (PAKs), methaan, ongeveer 100 g/ton cokes, ammoniak, koolstofmonoxide, waterstofsulfide (H₂S)(50–80 g/ton cokes van duwoperaties), waterstofcyanide (HCN), en zwaveloxiden (SOx)(30% van zwavel in de voer vrijkomend). Een significant aantal VOCs kan ook vrijkomen in bijproductenherwinningoperaties. Voor elke ton geproduceerde cokes, kunnen ongeveer 0,7 tot 7,4 kg PM, 2,9 kg SOx (varierend van 0,2 tot 6,5 kg), 1,4 kg stikstofoxiden (NOx), 0,1 kg ammoniak (NH₃), en 3 kg VOCs (inclusief 2 kg benzeen) in de atmosfeer vrijkomen als er geen dampherstelsysteem is.

Steenkoolhanteringsoperaties kunnen ongeveer 10% van de deeltjesbelasting opleveren. Steenkoolladen, cokesduwen, en kwinken zijn grote bronnen van stofemissies.

Afvalwater wordt gegenereerd met een gemiddelde snelheid van 0,3 tot 4 m³/ton verwerkte cokes. Grote afvalwaterstromen worden gegenereerd uit de koeling van de cokesovengas en de verwerking van ammoniak, teer, naphthalene, fenol, en lichte olie. Procesafvalwater kan 10 mg/l benzeen, 1.000 mg/l biochemische zuurstofbehoefte (BZB) (4 kg/t cokes), 1.500–6.000 mg/l chemische zuurstofbehoefte (CZB), 200 mg/l totale gesuspendeerde vastestoffen, en 150–2.000 mg/l fenolen (0,3–12 kg/t cokes) bevatten. Afvalwater bevat ook PAKs op significante concentraties (tot 30 mg/l), ammoniak (0,1–2 kg stikstof/t cokes), en cyaniden (0,1–0,6 kg/t cokes).

Cokesproductiefaciliteiten genereren procesvaste afvalstoffen anders dan cokesbries (wat gemiddeld 1 kg/t product bedraagt). De meeste vaste afvalstoffen bevatten gevaarlijke componenten zoals benzeen en PAKs. Afvalstromen van zorg omvatten residuen uit kolenteerherwinning (typisch 0,1 kg/t cokes), de teerdecanter (0,2 kg/t cokes), teeropslag (0,4 kg/t cokes), lichte olie verwerking (0,2 kg/t cokes), afvalwaterbehandeling (0,1 kg/t cokes), naphthalene verzameling en herwinning (0,02 kg/t cokes), teerdestillatie (0,01 kg/t cokes), en slibben uit biologische behandeling van afvalwater.