Optimaliseren van Kolenmix Selectie voor Efficiënte Koksproductie

Selectie van Kolen voor Opname in Kolenmix bij Koksfabricage

Mengen van kolen is nodig vanuit economisch oogpunt door het percentage van hoge kosten, prime of harde kokskolen te verlagen en te vervangen door medium of zachte kokskolen. In sommige koksoveninstallaties wordt zelfs een klein percentage niet-kokende of stoomkolen in de mix gebruikt.

Selectie van een juiste kolenmix voor gebruik in bijproductkoksovens is altijd een grote uitdaging voor de koksproducent aangezien de mix moet voldoen aan de volgende eisen:

• Het moet voldoen aan de vereisten van breken tijdens kolenbereiding. Alle componenten van de kolen mogen noch overgebroken noch ondergebroken zijn. De gegarandeerde kolenmix voor het laden van de koksovens moet voldoen aan de eisen van dichtheid, stroom, en groottefracties.
• Het moet de benodigde kokende en kaakende eigenschappen hebben voor het produceren van koks van kwaliteit die voldoet aan de kwaliteitseisen van hoogoven (BF) koks. De drie basiskwaliteitseisen van BF koks zijn: (i) warmte leveren voor de endotherme reacties in de hoogoven, (ii) fungeren als reducerend middel door de benodigde reductiegassen te produceren, en (iii) een doorlaatbare steun bieden in de BF voor de ijzerhoudende lading.
• Het moet veilige duwprestaties in koksovens bieden. Het mag geen excessieve druk op de koksovenwanden uitoefenen tijdens het koksenproces en deze beschadigen.
• Het moet voldoen aan de opbrengstvereisten niet alleen van BF koks maar ook van koksovengas. Een juiste kolenmix zal geen excessieve notenkoks en koksbries produceren.
• Het moet economisch zijn.

Gegeven de bovenstaande gevarieerde eisen, worden beslissingen over kolenmixen niet ad-hoc genomen maar na zorgvuldige overweging. Feitelijk moet de kolenmix worden ontworpen zodat een balans kan worden bereikt tussen de concurrerende sets van eisen zoals doorvoer, hoge kwaliteit, en kostenefficiëntie etc. terwijl de belangrijkheid van de batterijlevensduur in gedachten wordt gehouden.

Focusgebieden voor Kolenmix Ontwerp

Met de bovenstaande eisen in gedachten, moeten de kolenmix ontwerpinspanningen gericht zijn op (Figuur 1): (i) voldoen aan fysieke eigenschappen van koks, (ii) voldoen aan chemische eigenschappen van koks, (iii) voldoen aan koksoven duwprestaties, (iv) maximaal gebruik van lage-waarde koolstofmaterialen (zachte kolen), (v) voldoen aan economische vereisten, en (vi) verzekerd zijn van continue beschikbaarheid van kolenfracties om frequente mixwijzigingen te voorkomen.

Normaal wordt het kolenmix ontwerp gedaan door een reeks stappen. Deze stappen zijn ook vereist voor elke toevoeging van nieuwe kolen in de mix en worden hieronder uitgelegd:

1. Bestudeer de kwaliteit van de kolen die in de mix moeten worden opgenomen volgens het kwaliteitsgegevensblad van de kolen geleverd door de leverancier. Op basis van het gegevensblad wordt de kwaliteit beoordeeld voor het gebruik van kolen in de mix. Ook de kosten en lange termijn beschikbaarheid van de kolen worden bepaald. Zodra deze parameters voorlopig zijn voldaan, wordt een 5 kg monster aangevraagd.
2. Vanuit dit 5 kg monster worden verschillende laboratoriumtesten uitgevoerd om de kolenkwaliteiten te bepalen en te verzekeren dat deze kwaliteiten overeenstemmen met het leveranciersgegevensblad. Deze testresultaten beslissen welk percentage kolen in de kolenmix kan worden gebruikt. Een voorlopige economische evaluatie wordt dan uitgevoerd voor de kolen. Bij een bevredigende evaluatie wordt voldoende hoeveelheid kolen besteld voor proefovencarbonisatietesten.
3. Proefovencarbonisatietesten worden normaal uitgevoerd (i) op 100% van de nieuwe kolen, alsook (ii) op de kolenmix met het percentage nieuwe kolen dat in de mix gepland is. Tijdens de proefovencarbonisatie worden ook krimp- en gasdruktesten uitgevoerd. Als de proefovencarbonisatietesten succesvol zijn, wordt de kolen in het geplande percentage in de kolenmix voor de plantproeven gebruikt. Tijdens de plantproeven wordt nauwkeurige monitoring van alle parameters uitgevoerd.
4. Zodra de plantproeven succesvol zijn, wordt de kolen voor regulier gebruik in de mix geadopteerd.

De eindselectie van kolen voor toevoeging aan de mix houdt echter ook rekening met prijs, kolenbereidingsinstallatie vereisten, en kwaliteitscontrole nodig tijdens inkoop.

Eigenschappen van Kolen voor Mix Ontwerp

Kolenmix Ontwerp voor Fysieke Eigenschappen van Koks

De fysieke eigenschappen van koks die belangrijk zijn voor stabiele hoogovenwerking zijn: (i) koks reactiviteitsindex (CRI), (ii) koks sterkte na reactie (CSR), en (iii) micum index.

• CRI meet het vermogen van koks om breuk te weerstaan bij kamertemperatuur en weerspiegelt koksgedrag buiten de hoogoven en in het bovenste deel van de hoogoven.
• CSR geeft indicatie van de sterkte van koks na blootstelling aan de reducerende atmosfeer van de hoogoven. Het meet het potentieel van de koks om in kleinere grootte te breken onder een hoge temperatuur CO/CO₂ omgeving die door de onderste twee-derde van de hoogoven bestaat.
• Micum index is een trommeltest en duidt kokssterkte bij kamertemperatuur aan. Hogere waarden van M40 (percentage koks overgebleven op de +40 mm ronde opening na 100 omwentelingen) en lagere waarden van M10 (-10 mm ronde opening koks na 100 omwentelingen) duiden normaal op koks met hogere sterkte.

Petrografische analyse van kolen is een belangrijk instrument voor het voorspellen van kokssterkte. De belangrijke eigenschappen van kolen voor de voorspelling van kokssterkte zijn:

• Kruisibbel getal (CSN) – Het bereik van CSN in kokende kolen is 3 minimum tot 6 maximum. Prime kokende kolen hebben hogere CSN waarden terwijl zachte kokende kolen lage CSN waarden hebben.
• Maximale dilatatie – De waarde van maximale dilatatie is 55% minimum. Het hangt af van de waarde van maximale dilatatie van de kolenmix componenten.
• Maximale vloeibaarheid – De waarde van maximale vloeibaarheid is 600 ddpm minimum in kokende kolen. Hogere vloeibaarheid geeft betere vloeibaarheid in de koksovens.
• Gray king koks type – De waarde van de Gray king is minstens G5 in kokende kolen. Voor zachte kokende kolen is de limiet van Gray king waarde G min.
• Gemiddelde Maximale Reflectantie (MMR) – De waarde van MMR in kokende kolen varieert in het bereik van 0,85% - 1,35%. Zachte kokende kolen hebben lagere MMR terwijl harde kokende kolen hogere MMR hebben.
• Vitriniet – De waarde van vitriniet in kokende kolen is 50% minimum. Voor zachte kokende kolen is de limiet 45%.
• Vitriniet distributie (V9 - V14) – De waarde van vitriniet distributie in kokende kolen is 70% minimum.

Kolenmix Ontwerp voor Koksformaat

De als-gevormde grootte van de koks wordt beïnvloed door de hoeveelheid inerte componenten in de kolenmix. Naarmate de inerte inhoud afneemt, neemt de grootte van de koks af. Dus het kolentype beïnvloedt de koksformaat. De koksformaat is ook sterk afhankelijk van bedrijfsparameters. In normale praktijk wordt de koksformaat voor hoogoven meestal gecontroleerd door zeven.

Kolenmix Ontwerp voor Koks en Koksovengas Opbrengst

De hoeveelheid koks geproduceerd in een koksoven is omgekeerd evenredig aan de kolen vluchtige stof. Het kolen vluchtige stof bereik is ook belangrijk voor de productie van hoge sterkte koks. Kolen vluchtige stof beïnvloedt ook de opbrengst van koksovengas wat vaak een belangrijke parameter is voor de gasbalans in de staalfabriek.

Kolenmix Ontwerp voor Chemische Eigenschappen van Koks

Met een fysiek stabiele set ruwmaterialen in de hoogoven, wordt verdere controle van het hoogovenproces bereikt door controle van de chemische eigenschappen. De belangrijkste chemische eigenschappen van koks zijn: vocht, vast koolstof, as, zwavel, fosfor en alkalen. De meeste van deze eigenschappen zijn primair afhankelijk van de gebruikte kolen. Koks as, zwavel, en alkalen beïnvloeden CSR negatief. Echter, fosfor beïnvloedt CSR positief, maar is onwenselijk omdat het volledig in het gietijzer gaat. Om hoge kwaliteit koks met hoge opbrengst te verkrijgen, is het wenselijk dat de kolenmix lage hoeveelheden vocht, as, zwavel, alkalen, fosfor en hoog vast koolstofgehalte bevat. Verder is de as smelttemperatuur een belangrijke eigenschap voor het koksenproces. Deze moet hoger zijn dan de kokstemperatuur.

Kolenmix Ontwerp voor Koksoven Duwprestaties

De maximale koksdruk mag 0,14 kg/cm² niet overschrijden. Van alle inherent koleneiigenschappen lijken graad en inerte inhoud van primaire belang voor de koksdruk op de koksovenwanden. De graad heeft een directe relatie met koksdruk. Lage vluchtige kolen oefenen excessieve koksdruk uit. Echter, ze dragen ook bij aan hoge kokssterkte en produceren hoge koksopbrengsten.

Kolen van gelijke graad maar met hoge inertinieten produceren lagere druk. Australische lage vluchtige kolen produceren over het algemeen lage muurdruk en worden in mixen opgenomen om de koksdruk te verlagen. Vanwege de moeilijkheid van het meten van de koksmurendruk in een commerciële oven, worden de muurdruk- en gasdrukmetingen van een proefoven meestal gecorreleerd met gasdrukmetingen in commerciële ovens. Zodra de correlatie is vastgesteld, worden de gasdrukmetingen op de commerciële faciliteit gebruikt om de koksdruk te monitoren. Gasdruk neemt toe met graad en af met inertinietinhoud.

Kolenlading krimp treedt op tijdens twee verschillende fasen van het koksenproces. De eerste fase is aanwezig tijdens de plastische laagvorming en is voornamelijk afhankelijk van koleneiigheden. Eenmaal de plastische lagen getransformeerd zijn tot halfkoks, begint de tweede fase tijdens de krimp van de halfkoks en is voornamelijk afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden. Over het algemeen worden maximale vloeibaarheidswaarden gebruikt om de eerste fase van de laterale krimp te voorspellen. De verticale krimp is voornamelijk afhankelijk van bedrijfsparameters zoals kokstemperatuur en verwarmingssnelheid.

Kolenmix Ontwerp voor Maximaal Gebruik van Lage Waarde Koolstof Materialen

Om de exploitatiekosten te verlagen terwijl de koks kwaliteit wordt gehandhaafd, worden lage waarde koolstofmaterialen in wisselende hoeveelheden aan de kolenmixen toegevoegd. Zachte kolen, kolenfines, koksbries, kolenteer, petroleumkoks, asphaltinen (destillatieresiduen), en niet-kokende kolen hebben een positief effect op koks kwaliteit en koksbedrijf, mits ze in de juiste hoeveelheid en aan het juiste type mix worden toegevoegd. Dergelijke praktijken hebben geresulteerd in lagere kosten, betere werking, en behoud van hulpbronnen.

Geoxideerde (verweerde) kolen moeten ook worden overwogen als lage waarde koolstofmateriaal omdat oxidatie over het algemeen resulteert in een daling van CSR, stabiliteit, koksformaat, koksopbrengst, en doorgaans de uitbreiding en muurdruk karakteristieken verergeren. CSR is het meest gevoelig voor kolenoxidatie; de omvang van de CSR daling is hoger voor de laagste graad kolen. Daarom moet het gebruik van geoxideerde kolen worden geminimaliseerd.

Kolenmix Ontwerp voor het Voldoen aan Economische Vereisten

De technologische evaluatie van de kolenmix moet worden aangevuld met een economische evaluatie voor de gebruikskosten van de geproduceerde koks. Een kolen met lage per-ton kosten mag niet economisch zijn wanneer de koks geproduceerd uit het en het gebruik ervan in de hoogoven in een geïntegreerde manier wordt overwogen. Dit is omdat kolenkwaliteit nadelig kan beïnvloeden: koksopbrengst in koksovenbatterij en BF koksverbruik in hoogoven, naast het nadelig beïnvloeden van de productiviteit van de hoogoven. Daarom moet kolenmix ontwerp ervoor zorgen dat het uiteindelijk economisch is op het gebruiks punt en niet dat het economisch lijkt bij de koksovens. De kolenmix die koks produceert met de hoogste potentiële kostenbesparing bij de hoogoven wordt normaal geadopteerd voor implementatie bij de koksfabriek.

Kolenmix Ontwerp met Zekerheid van Continue Beschikbaarheid van Kolen

Om frequente wijzigingen in kolenmix te voorkomen, moeten kolen die niet op lange termijn beschikbaar zijn, vermeden worden voor opname in de mix.

De hierboven beschreven procedure voor de selectie van kolen voor opname in kolenmix bij koksfabricage legt uit dat er een noodzaak is om een balans te bereiken tussen de eisen van doorvoer, hoge koks kwaliteit, batterijlevensduur, kostenefficiëntie, en algehele economie met verzekering van een consistente voorziening van de kolen.