Gepulveriseerde koolinjectie: Sleutel tot efficiënte hoogovenoperaties

Gepulveriseerde koolinjectie in hoogoven begrijpen

Gepulveriseerde koolinjectie (PKI) is een goed gevestigde technologie voor rood ijzer (RIJ) productie in een hoogoven (HO). Het wordt in de meeste HO's toegepast en alle nieuwe HO's worden normaal gebouwd met PKI capaciteit. De samenstelling en eigenschappen van de kool gebruikt voor injectie kan de operatie, stabiliteit en productiviteit van de HO, de kwaliteit van de RIJ, en de samenstelling van het HO gas beïnvloeden. De koolsoorten die gebruikt worden voor de PKI worden beschreven in het artikel onder link 'https://www.ispatguru.com/coal-for-pulverized-coal-injection-in-blast-furnace/'.

De kritieke aspecten van PKI systemen omvatten koolvoorbereiding, opslag en distributie om een uniforme voeding van kool aan elke tuyère te waarborgen zonder fluctuaties in de kool leveringssnelheid en de verbranding door lansontwerp en zuurstof (O₂) injectie.

Koolvoorbereiding

Pulverisatie van kool wordt uitgevoerd in een enkele of meervoudige maalmolen (pulverisatoren) afhankelijk van de eisen. Malen en distributie van de kool naar de injectielanzen vormen een groot operationeel kostenaspect. Kool herwonnen uit koolopslag wordt gezeefd voor de verwijdering van vreemd materiaal en eventuele grote klonten kool worden gekruist. De kool wordt vervolgens in de molen gevoerd waar het gepulveriseerd en gedroogd wordt. Kool van de vereiste grootte wordt uit de molen getransporteerd door de hete gasstroom, verzameld in een zakfilter en naar de opslagbakken getransporteerd. Malen en transport worden onder een inerte atmosfeer uitgevoerd om het risico op ontbranding van de droge kooldeeltjes te minimaliseren. De resulterende deeltjesgrootteverdeling van de gepulveriseerde kool beïnvloedt de hanterbaarheid in pneumatische transportapparatuur en, bij hoge injectiesnelheden, de verbrandbaarheid.

Pulverisatoren malen kool in een van de twee groottefracties: (1) gepulveriseerde kool waarbij ongeveer 70% tot 80% van de kool onder 75 micron (micrometer) is en de rest onder 2 mm, en (2) granulaire kool die een topmaat van 2 mm tot 3 mm heeft met een limiet van 2% kool boven 2 mm en 20% tot 30% onder 75 micron. Systemen die deze koolgrootte injecteren, worden granulaire koolinjectie (GKI) genoemd. Het grovere malen heeft het voordeel van lagere maal- en droogkosten met de gemalen kool gemakkelijker te hanteren. Het fijner malen heeft een hogere verbranding in de raceway. PKI is een popularere technologie dan GKI.

Koolfijnheid kan in de pulverisator gevarieerd worden door een aantal maatregelen, waaronder het variëren van de kooltoevoersnelheid, de classificatorinstellingen, of de luchtstroomsnelheid. Hoewel molens afgestemd kunnen worden om een bepaalde kool te passen om de vereiste grootte te produceren, is dit niet praktisch in het geval van een koolmengsel waar een groot aantal koolsoorten worden gebruikt. In zo'n geval kunnen sommige van de koolcomponenten de vereiste fijnheid niet bereiken.

Een van de functies van de pulverisator is om zoveel mogelijk vocht uit de kool te verwijderen. Droging is noodzakelijk aangezien vocht problemen veroorzaakt met vrije stroom zowel in het pneumatische transportsysteem als in de opslagbakken. Ook moet vocht geminimaliseerd worden aangezien additionele energie vereist is voor de verwijdering ervan in de HO en injectie van vocht verhoogt het reducerend middel tarief. Daarnaast consumeren koolsoorten met hoger vocht meer vermogen in pulverisatoren tijdens hun malen en verlagen de doorvoer.

Verdamping van de kooloppervlaktevocht voorkomt agglomeratieproblemen binnen de pulverisator aangezien koolsoorten met hoog vocht en klei inhoud meestal geneigd zijn tot plakken. Daarom is het normaal noodzakelijk om het totale vochtgehalte van de kool te reduceren tot ongeveer het evenwichtsvochtgehalte om hanteringsproblemen binnen de molen en opslagbakken te reduceren. Het vochtgehalte van kool die de molen verlaat, moet twee derde van het evenwichtsvochtgehalte zijn. Evenwichtsvocht van de kool varieert met zijn rang, maceraal samenstelling, en asgehaltes.

Het is belangrijk om te waarborgen dat de kool gemalen wordt tot de gewenste fijnheid met minimale slijtage aan de pulverisatoronderdelen en met minste stroomverbruik om de operationele kosten te verlagen. Slijtage beïnvloedt de afsluitingen en onderhoud van de pulverisatoren. Kooleigenschappen die de slijtage beïnvloeden, omvatten de asinhoud en samenstelling, deeltjesgrootteverdeling, vocht, en bulkdichtheid. Hogere vochtgehalte van de kool versnelt de slijtage door de gecombineerde effecten van slijtage en corrosie. De afschurende (harde) mineralen in koolas omvatten silica (SiO₂) en pyriet (FeS₂). Naast slijtage van de maalelementen, kunnen de afschurende mineralen ook de pijpen en kanalen eroseren. De meest gebruikte test voor het evalueren van de afschuringseigenschappen van kool is de 'Afschuringsindex' (AI). Normaal worden koolsoorten met een hoge AI verwacht hogere slijtagesnelheden te veroorzaken.

Reductie in het stroomverbruik van de molen verlaagt de operationele kosten. Het stroomverbruik en capaciteit (doorvoer) van de molen hangt af van het ontwerp, moleninstellingen, de vereiste fijnheid, en de eigenschappen van de kool. Hoe groter de reductie in de koolgrootte vereist is, des te groter is het benodigde stroomverbruik. Hogere mate van koolfijnheid heeft verhoogde molencapaciteit nodig wat ook nodig kan zijn bij het malen van moeilijke koolsoorten.

De hoofd kooleigenschap die de belangrijkste invloed heeft op het molen stroomverbruik en capaciteit is de hardheid, bepaald door de 'Hardgrove maalindex' (HGI). Gewoonlijk, hoe hoger de HGI, des te makkelijker is het om de kool te malen, met als gevolg lager stroomverbruik en hogere doorvoer. Als de ontwerpcapaciteit van de pulverisator de PKI snelheid beperkt, dan is het mogelijk de injectiesnelheden te verhogen door over te schakelen naar een zachtere kool. Het verhogen van het percentage lage vluchtige stof (VS), hoge calorische waarde (CW) zachte kool in de hoge VS, harde koolmengsel helpt de pulverisatorcapaciteit te verhogen, evenals de blastdruk in de HO te verlagen en koolverbruik te verbeteren.

De maceraalsamenstelling beïnvloedt ook het malen. In het algemeen neigen hogere vitriniet koolsoorten tot lagere maalenergievereisten dan lagere vitriniet koolsoorten aangezien vitriniet gemakkelijker gemalen wordt dan inertiniet en liptiniet. Het effect van rang neemt af boven een reflectantie van ongeveer 1,6 waar de benodigde breukenergie voor vitriniet en inertiniet ongeveer hetzelfde is.

Koolsoorten worden doorgaans gemengd om de relatieve sterktes te optimaliseren. Echter, mengsels gedragen zich niet als een gemiddelde van hun componenten, maar kunnen onevenredig beïnvloed worden door één kool met probleemkenmerken. Preferentiële maling van de zachtere kool treedt op wanneer mengsels van twee koolsoorten wiens HGI met meer dan 20 verschillen, gepulveriseerd worden. Pulverisatie van mengsels van 'harde' en 'zachte' koolsoorten heeft aangetoond dat de slechte kenmerken van de bestanddeellkoolsoorten neigen te domineren het mengsel, met de pulverisatorprestaties meer gelijkend op die van de hardere kool. Preferentiële maling van de zachtere maceralen kan ook optreden bij het malen van mengsels. Koolsoorten die zwellende kleien bevatten, kunnen vocht absorberen nadat ze de pulverisator verlaten en afkoelen. Zelfs wanneer aanwezig als een component van een mengsel, kunnen dergelijke koolsoorten leiden tot blokkages in de injectiesystemen.

Koolinjectiesysteem

Het injectiesysteem transporteert en meet pneumatisch de gepulveriseerde kool vanaf de opslagbak door het injectantvat, waar het onder druk gezet wordt tot of boven de HO druk, naar de tuyère injectielanzen. De lanzen injecteren de kool in gelijke hoeveelheden door de tuyères, die symmetrisch rond de omtrek van de HO gerangschikt zijn. Een kritische factor in het distributiesysteemontwerp is om een uniforme voeding van kool aan elke tuyère te waarborgen zonder fluctuaties in de kool leveringsroute. Elke onderbreking in de koolvoorziening kan snel tot ernstige problemen leiden. Hoe hoger de injectiesnelheid, des te ernster zijn de gevolgen van een onvoorziene onderbreking.

Ten minste twee injectievaten zijn nodig om een continue koolstroom naar de HO te leveren. Basisal zijn er twee verschillende rangschikkingen van deze vaten: (1) seriële rangschikking waarbij het bovenste vat periodiek het onderste bijvult, dat altijd onder druk gehouden wordt, en dat de kool injecteert, en (2) parallelle rangschikking waarbij de twee vaten afwisselend injecteren met een overlappende operatie om koolinjectie tijdens de wisselperiode te handhaven.

Het is belangrijk om de hoeveelheid geïnjecteerde kool te controleren. Daarom worden de injectievaten continu gewogen en de stroomsnelheid van de kool zorgvuldig gecontroleerd. Hanteringsproblemen van gepulveriseerde kool in de opslagbakken die de injectievaten en pijpleidingen voeden, zijn te wijten aan de hoeveelheden vocht en ultrafijne deeltjes, en de aanwezigheid van kleien in de kool. Externe verwarmers en/of isolatie kunnen nodig zijn om de waarschijnlijkheid van bakblokkages door condensatie van vocht die op de binnenkant van de bakwanden kan optreden, te reduceren. Op sommige plaatsen wordt stikstof (N₂) door aeratiekussens in de bodem van de intermediaire injectietank geblazen om vrije stroom te waarborgen wanneer gepulveriseerde kool naar de lagere injectietank wordt overgebracht.

Kool van de injectievaten wordt doorgaans getransporteerd door (1) individuele pijpen naar elke tuyère, in welk geval de hoeveelheid kool onafhankelijk gecontroleerd en in elke pijp geladen wordt, (2) een gemeenschappelijke pijpleiding naar een verdeler naast de HO, in welk geval de verdeler de kool gelijkmatig verdeelt in de individuele pijpen leidend naar elke tuyère. Een voordeel met dit systeem is dat de afstand tussen de koolvoorbereidingsinstallatie en HO langer kan zijn dan met het individuele pijpensysteem.

Verschillen in de routing van de pijpen naar de tuyères en de onvermijdelijke onevenredige splitting van de kool bij de splitsingspunten kan resulteren in een onevenredige voeding aan de tuyères. Ongelijkheden kunnen ook onevenredige slijtage op de pijpen en verdeler veroorzaken.

Afhankelijk van de verhouding van kool tot het draggas, wordt de kool pneumatisch getransporteerd van het injectievat naar de tuyères in ofwel verdunde fase, ofwel dense fase. De draggas lading in het geval van verdunde fase systeem voor kool is typisch ongeveer 10 kg kool per kg draggas, en de draggassnelheid is ongeveer 15 meter per seconde (m/s) tot 20 m/s. Het draggas is normaal een mengsel van N₂ en lucht met gecomprimeerde lucht die aan de pijpleiding onder het injectievat wordt toegevoegd. In het geval van het dense fase systeem, is de lading ongeveer 40 kg tot 80 kg kool per kg draggas, en de draggassnelheid is ongeveer 1 m/s tot 5 m/s. Het draggas is normaal N₂ of een mengsel van N₂ en lucht.

De draggassnelheid moet altijd hoger zijn dan de minimum transportsnelheid om blokkages te voorkomen. Deze minimumsnelheid hangt af van een aantal parameters, waaronder de systeemdruk en de pijpdiameter. Deze variabelen interactie met elkaar. De lage snelheid in dense fase systemen betekent lage pijp- en componentenslijtage, terwijl de hoge transportsnelheid van verdunde fase systemen kan leiden tot slijtage, met name bij pijpbuigingen. De slijtagesnelheid wordt bepaald door de hardheid, vorm en snelheid van de kooldeeltjes. Kooleigenschappen beïnvloeden ook de slijtage. Het bekleeden van de delen van de pijpen die gevoelig zijn voor slijtage met, bijvoorbeeld, een urethane elastomeer materiaal biedt afschuuringseweerstand, alsmede het vertragen van de opbouw van fijnen die tot blokkage kunnen leiden. Kooleigenschappen die gerelateerd zijn aan transportlijnblokkages zijn vochtgehalte en kleimineralen.

Hoog vocht in koolsoorten en mengsels kan problemen creëren. Dus strenge vochtlimieten op de gemalen koolsoorten worden toegepast. De aanwezigheid van kleien, die zwellen in de aanwezigheid van water, kan problemen veroorzaken, vooral als er een drukkval is in het transportsysteem, en/of als er de aanwezigheid is van ultrafijne deeltjes. Naarmate de fijne inhoud (minder dan 5,8 micron) van de gepulveriseerde kool toeneemt, neemt de drukval in het transportsysteem toe. Als de drukval boven een bepaalde waarde gaat, wat gerelateerd is aan het ontwerp van de installatie, dan kan blokkage optreden. Propfen van de pijpleidingen wordt ervaren door de opbouw van de afzettingen bij buigingen in de pijpen wat normaal gerelateerd is aan de zachte aard van de kool (fijnere deeltjesgrootteverdeling). Terwijl de kool geïnjecteerd wordt, initieert ultrafijne kool (minder dan 10 micron) het proces door te plakken aan de elleboogwand, en zodra een ruw oppervlak is gevormd, beginnen de grotere deeltjes te hechten. Daarnaast kan preferentiële maling van de zachtere kool in een koolmengsel leiden tot een hoge fractie van ultrafijne deeltjes, wat tot blokkage leidt.

Blokkages kunnen voorkomen worden door verbeteringen in de pijpleiding en distributiesysteem, en in sommige gevallen, door de voorbereidingssysteem aan te passen (zoals de koolpulverisator) om een grovere deeltjesgrootte te produceren. Het injectiesysteem heeft doorgaans procedure voor het detecteren en wissen van blokkage aangezien het een veelvoorkomend fenomeen is. Transportlijnen omvatten purgerpoorten waar blokkages gewist worden, doorgaans met hoge druk lucht. Een eenvoudige en praktische test is nodig om de vloeibaarheid en hanterbaarheid van gepulveriseerde kool en de koolmengsels te beoordelen. Dit stelt de moeilijke materialen in staat om geïdentificeerd te worden voordat ze gebruikt worden.

De injectielans injecteert kool in de blaaspijp die leidt naar de tuyère. De deeltjes worden onmiddellijk verwarmd door de hete blaas, ontbranden, vergassen en verbranden. Het ontwerp en de plaatsing van de lans beïnvloeden de verbrandingsefficiëntie van de kool. Eerder werden de lanzen rechte staallenzen gebruikt die positioneerd waren bij of dicht bij de tuyère/blaaspijp interface. Ontwerpen die de injectie van O₂ direct in de stroom van de kooldeeltjes (oxy-kool lanzen) en/of manieren om meer turbulente aan de lanspunt te genereren, zijn ontwikkeld om de verbrandingsefficiëntie te verbeteren. Deze omvatten (1) coaxiale lanzen (waarbij de kool door de binnenste pijp geïnjecteerd wordt en O₂ door de omringende ring), (2) hoge dispersieve lanzen, (3) afgeschuinde lanzen, (4) spleet lanzen, (5) excentrische (niet-concentrische) dubbele lanzen, en (6) zwierlanzen.

Voorverhitting van de kool om de verbrandingsefficiëntie te verhogen, wordt ook toegepast. Problemen die optraden toen kool voor het eerst werd geïntroduceerd, zoals lans- en tuyèreblokkages en smelting van de lanspunt, zijn grotendeels overwonnen. Blokkages zijn voornamelijk te wijten aan de kool die wordt verwarmd tot een temperatuur waar ze kleverig worden en hechten aan het oppervlak van de injectielanzen en tuyères. Asafzetting wordt geminimaliseerd door kool met een hoge as smelttemperatuur (AST) te benutten. Voor alle praktische doeleinden moet de AST 50 °C hoger zijn dan de hete blaastemperatuur. Lanzen kunnen ook propfen als koolsoorten met een hoge caking index bij de tuyèrepunt cake. Dit kan overwonnen worden door koolsoorten met hoge caking indices te vermijden, of door de stroomsnelheid te verhogen.

Het positioneren van de injectielans dichter bij de tuyère vermindert de mate van as aanrijding in de blaaspijp. Gebruik van luchtgekoelde coaxiale lanzen helpt bij het voorkomen van blokkage en erosie, en kan de levensduur van de punt verlengen. De stroomsnelheid van de koellucht moet geminimaliseerd worden om het verkoelende effect op de verbranding van de kool te verminderen. Echter, blokkage van lanzen kan nog steeds een frequente voorkoming zijn. Er zijn vastgestelde procedures voor het detecteren en wissen van deze blokkages voordat ze problemen kunnen veroorzaken.

Gebruik van verschillende legeringen voor de injectielanzen en het beperken van de hete blaastemperatuur heeft ook de smelting van de lanspunt beïnvloed. De duurzaamheid van een lans is een belangrijke operationele overweging aangezien het in de loop van de tijd opbrandt.

Koolverbranding

Raceways zijn vitale regio's van de HO zelfs al hun totale volume doorgaans niet 1% van het innervolume van de HO overschrijdt. Ze voorzien het proces van warmte en reducerende middelen. Injectie van kool beïnvloedt onvermijdelijk racewaycondities die op hun beurt gevolgen hebben buiten de raceway. Onverbrande deeltjes die de raceway verlaten, kunnen operationele problemen veroorzaken zoals verminderde doorlatendheid, ongewenste gas- en temperatuurverdelingen, overmatige cokeserosie, en een toename in char carryover. De hoeveelheid onverbrand char neemt toe met toenemende injectiesnelheden. Dus het verbrandings- en vergassingsgedrag van de geïnjecteerde kool in de raceway is een belangrijk element voor de stabiele operatie van de HO. Het is heel duidelijk dat de HO meer geïnjecteerde kool kan verbruiken dan dat verbrand wordt binnen de raceway aangezien het onverbrande materiaal elders in de oven wordt verbruikt.

Koolverbranding binnen HO is wijd bestudeerd. De studies zijn uitgevoerd met behulp van lab-schaal apparatuur zoals thermogravimetrische analyse (TGA), valbuisovens (VBOs) en draadgaasreactoren (DGRs). Deze technieken simuleren niet volledig condities binnen de raceway. De verblijftijd van gepulveriseerde kooldeeltjes in een VBO, als voorbeeld, is van de orde van seconden terwijl het ongeveer milliseconden is in een raceway van een HO. Daarom worden deze technieken typisch gebruikt om een vergelijkende evaluatie van de verschillende typen kool te leveren.

Een andere benadering die gevolgd wordt, is het gebruik van speciaal ontworpen faciliteiten om racewaycondities te simuleren. Deze omvatten de injectie van een hete blaas in een gepakt cokesbed, vaak aangeduid als 'heet model'. Deze hebben de mogelijkheid om verbrandingscondities te simuleren voor korte verblijftijden van milliseconden, alsook verschillende racewaylocaties. Echter, de pilot-schaal faciliteiten simuleren nog steeds niet volledig racewaycondities in een HO. Als voorbeeld, ze kunnen niet werken bij drukken dicht bij de tuyère/bustel hoofddruk. Hogere drukken in de raceway verhogen de koolvergassingssnelheid.

Een aantal computermodellen zijn beschikbaar voor het beoordelen van het gedrag van de kool in de raceway en elders in de HO. De geldigheid van deze modellen is in twijfel getrokken aangezien de mechanismen die ze afbeelden complex zijn en niet volledig begrepen. Hun nauwkeurigheid is afhankelijk van de aannames gemaakt en de geldigheid van de relaties in de modellen gebouwd. Aangezien het gedrag van de kool sterk beïnvloed wordt door HO ontwerp en operatiecondities, alsmede de kooleigenschappen, is een computermodel misschien alleen toepasbaar voor een bepaalde HO, operatiecondities en dezelfde typen kool waarop het is ontwikkeld en getest. Dit zijn de beperkingen van al deze technieken.

Verbranding van kool tussen de uitgang van de injectielans en de achterwand van de raceway (een fysieke afstand van ongeveer 0,7 m tot 2 m) treedt op bij hoge temperaturen (1400 °C tot 2200 °C), verhoogde drukken (ongeveer 3 kg/cm² tot 6 kg/cm²) en korte verblijftijden (10 milliseconden tot 40 milliseconden voor gepulveriseerde deeltjes). Het is onder deze extreme condities dat een hoog niveau van koolverbranding bereikt moet worden.

Het verbrandingsproces voor kool kan in de volgende stappen worden onderverdeeld, waarvan enkele overlappend zijn:

• De geïnjecteerde gepulveriseerde deeltjes (minder dan 75 micron) worden snel verwarmd naarmate ze de O₂ verrijkte hete luchtblaas binnengaan. De verhittingssnelheid wordt bepaald door de operationele condities maar is ongeveer 100 °C per seconde. De hete blaastemperatuur is typisch 1000 °C tot 1200 °C en de gassnelheid is ongeveer 180 m/s tot 250 m/s.
• Pyrolyse van de deeltjes vindt plaats om niet-condenseerbare vluchtige stoffen (gassen), condenseerbare vluchtige stoffen (taren) en een koolstofhoudend char te produceren. Het duurt ongeveer 2 milliseconden tot 20 milliseconden om deontvluchtiging te voltooien.
• Ontbranding en verbranding van de VS vindt plaats om voornamelijk CO₂ (koolstofdioxide) en H₂O (waterdamp) te produceren. Dit duurt een paar milliseconden.
• Gedeeltelijke verbranding van het resterende char vindt plaats door O₂. Char verbranding bijdraagt het merendeel van de vrijgegeven warmte tijdens verbranding. In tegenstelling tot de verbranding van VS, waarbij de VS diffunderen naar de O₂ rijke atmosfeer (wat resulteert in een groot reactieoppervlak), moet de O₂ voor char oxidatie getransporteerd worden naar het relatief kleine deeltjesoppervlak. Als resultaat is char oxidatie een langzamer proces. Zolang de VS wordt vrijgegeven, kan O₂ het char oppervlak niet bereiken door de hoge stoechiometrische vereisten van de VS.
• Vergassing van het resterende char door CO₂ en H₂O om CO (koolstofmonoxide) en H₂ (waterstof) te produceren. Dit is de langzaamste reactie van al deze processen, en vindt voornamelijk plaats buiten de raceway.

Het is de verbrandingseigenschappen van kool in plaats van cokesverbranding die de gassamenstelling en temperatuurverdeling in de raceway beheerst, aangezien ze preferentieel verbranden. Figuur 1 illustreert enkele van de koolverbrandingstappen die binnen de raceway plaatsvinden, en hoe de gassamenstelling varieert. Het merendeel van de O₂ wordt verbruikt nabij de tuyèreneus, terwijl een CO₂-rijke atmosfeer in het midden geproduceerd wordt, en een CO-rijke atmosfeer aan het einde van de raceway.

De mate van verbranding (verbrandingsefficiëntie), en dus de hoeveelheid onverbrand materiaal dat de raceway verlaat, hangt af van verschillende parameters, waaronder (1) eigenschappen van de kool, zoals de VS inhoud, deeltjesgrootte en dichtheid, en (2) operatiecondities, bijvoorbeeld blaasgas samenstelling en temperatuur, en lanspositie en ontwerp.

De grafiek in Figuur 2 die verbrandingsefficiëntie en gepulveriseerde koolinjectiesnelheid toont, is gebaseerd op studies gedaan tijdens het onderzoeken van de maximaal snelheid voor gepulveriseerde kool vanuit een koolstofbalans in de HO met behulp van een materiaal- en warmtebalansmodel.

Op basis van de diverse uitgevoerde onderzoeken, worden de maatregelen om de koolverbranding in de raceway te intensiveren, hieronder samengevat:

• Verrijking van de blaas met O₂. Echter, het niet-lineaire effect van blaas O₂ op de graad van verbranding moet in aanmerking worden genomen. De toename in de verbrandingssnelheid wordt kleiner naarmate de O₂ inhoud toeneemt.
• Voorlopige menging van gepulveriseerde kool met O₂ voor introductie in de tuyère caviteit.
• Gebruik van koolmengsels (meestal koolsoorten met hoog en laag VS gehalte) en brandstofmengsels om zowel hoge verbrandingsgraad als hoge cokes/kool vervangingsratio te handhaven.
• Koolinjectie met Fe-oxiden (fijn ijzererts, en Fe bevattend afval etc.), carbonaten, en andere O₂ rijke additieven.
• Gebruik van chemische en fysieke fenomenen, bv. katalytische, polariserende en andere effecten.
• Optimalisatie van koolmalen, afhankelijk van operatiecondities en kooleigenschappen.

Effect van koolrang

Het verbrandings- en vergassingsgedrag van gepulveriseerde kool in de raceway wordt beïnvloed door zijn eigenschappen. Het effect van de eigenschappen in het algemeen op de vlamtemperatuur (VT) en verbrandingsefficiëntie (VE) wordt hieronder beschreven.

PKI heeft een verkoelend effect op de VT. De VT is een belangrijke parameter aangezien het de slag en metaalchemie, verdamping en recirculatie van de alkalie-elementen aanwezig, en de stroom van metaal in de hearth beïnvloedt. Het is moeilijk om de VT te meten en dus wordt het doorgaans berekend vanuit een energiebalans van de raceway zone. De berekende waarde is bekend als de 'raceway adiabatische vlamtemperatuur' (RAVT), of theoretische VT. RAVT berekeningen kunnen variëren van de ene HO naar de andere afhankelijk van de gemaakte aannames, en dus waarden zijn misschien niet direct vergelijkbaar. Er is een optimale RAVT voor elke HO afhankelijk van factoren zoals de ladingsamenstelling en doorlatendheid, cokeskwaliteit, en blaassnelheid. Het injecteren van kool verlaagt de RAVT (vergeleken met alle-cokes operatie) aangezien het endotermische reacties bevordert. Lage VS en hoge VS kool verlagen de VT in de bereiken van 80 °C tot 120 °C en 150 °C tot 220 °C per 100 kg/tRIJ, respectievelijk. In het algemeen, hoe hoger de H₂/C (koolstof) verhouding in de kool, des te meer is het verkoelende effect. De RAVT neemt ook af met toenemende snelheid van koolinjectie. Het verhogen van de blaastemperatuur en/of O₂ verrijking, en/of het verlagen van blaasvocht kan het verkoelende effect van kool compenseren.

Verbrandingsexperimenten onder condities die de HO omgeving simuleren, hebben aangegeven dat de VE normaal toeneemt met toenemende kool VS. HV (hoge vluchtige) koolsoorten zijn gemakkelijk vergast, wat een grotere hoeveelheid gas produceert, met een lagere CW, en een kleinere hoeveelheid char vergeleken met lage vluchtige (LV) en middel vluchtige (MV) koolsoorten. Dus, gasverbranding is belangrijker voor de lagere rang koolsoorten dan char verbranding. Als gasverbranding onvolledig is, kan roet gevormd worden, en dit kan leiden tot verslechtering in de HO doorlatendheid wanneer het de raceway verlaat. Roet heeft een lagere reactiviteit dan onverbrand char.

De mate van deontvluchtiging wordt beïnvloed door de kooldeeltjesgrootte, met fijne groottes leidend tot meer complete deontvluchtiging. Naarmate de kool VS inhoud afneemt, wordt de uiteindelijke VE bepaald door de char reacties aangezien ontbranding en verbranding van de VS snel is. Char met een hogere reactiviteit heeft hogere VE. Het is vaak gedebatteerd dat bij de hoge temperaturen die in de raceway voorkomen, chemische reactiviteit minder belangrijk wordt aangezien de verbrandingssnelheid beperkt is door de snelheid van O₂ diffusie naar het deeltje, en verbrandingstijd meer afhangt van deeltjesgrootte en O₂ concentratie. Gecombineerd met de korte verblijftijd, mag het effect van char reactiviteitsverschil tussen koolsoorten niet erg significant zijn in de raceway. Er zijn andere meningen die stellen dat in het gezicht van de kleine deeltjesgroottes gebruikt (hoger dan 80% minder dan 75 micron in PKI) en de hoogst turbulente condities die in de raceway bestaan, de algehele snelheid van char verbranding normaal beïnvloed wordt door de intrinsieke chemische reactiviteit van de char. Char reactiviteit is zeker belangrijk buiten de raceway. Onder de condities in de bovenoven, is char vergassing waarschijnlijk gecontroleerd door de snelheid van de chemische reactie. Daarom is de algehele char vergassing reactiesnelheid waarschijnlijk beïnvloed door de chemische reactiviteit van char aan CO₂.

In het algemeen neemt char reactiviteit toe met kool VS, dat wil zeggen, HV koolsoorten produceren doorgaans reactievere chars dan LV koolsoorten, en dus een betere verbranding. Er zijn uitzonderingen aangezien de reactiviteit van char beïnvloed wordt door een aantal factoren, waaronder (1) zijn morfologie (oppervlakte en porositeit), (2) zijn resulterende structuur, (3) zijn samenstelling, en (4) de operatiecondities. De verbrandingssnelheid en reactiviteit van de char hangt deels af van de grootte van het deeltje en zijn poriënstructuur. De poriënstructuur controleert de toelevering van reactieve gassen in het interieur van het kooldeeltje en biedt een variabele interne oppervlakte voor reactie.

Char fragmentatie, wat beïnvloed wordt door de structuur, verhoogt het externe oppervlak. Een hogere fractie van char deeltjes met dunne wandcaviteiten en hogere macro-porositeit en macro-porie oppervlakken worden geproduceerd bij hoge verhittingssnelheden. In het algemeen neigen deze typen chars ertoe meer te fragmenteren dan die met dikke wanden en lagere porositeit, en hebben dus een hogere char reactiesnelheid. Fragmentatie kan een van de redenen zijn waarom sommige operators vinden dat de VS weinig effect heeft op de verbrandbaarheid van koolsoorten. Chars gevormd uit hogere rang (LV) koolsoorten bij hoge temperaturen zijn normaal meer geordend en dus minder reactief. De ontwikkeling van hoog anisotrope char cenosferen met toenemende temperatuur verlaagt ook de char reactiviteit. Deze koolsoorten profiteren dus van een lagere blaastemperatuur om de verbrandbaarheid te verbeteren.

Veranderingen in de maceraalsamenstelling van een kool kunnen rekening houden voor verschillen in verbrandingsreactiviteit, met name onder koolsoorten van vergelijkbare rang. Het inertiniet maceraal wordt doorgaans beschouwd als 'inert' (onreactief). Echter, het is niet zo simpel. Niet alle inertiniet maceralen zijn, in feite, onreactief, en niet alle vitriniet zijn reactief. Vitriniet, inertiniet, en zelfs liptiniet, kunnen bijdragen aan onverbrand C in het koolstofhoudende residu. Het is ook opgemerkt dat hoewel inertiniet-rijke koolchars basisal minder reactief zijn dan vitriniet-rijke koolchars bij 500 °C, dit niet langer belangrijk is bij hoge temperaturen (1300 °C). Het is waarschijnlijk dat het verschil in verbrandbaarheid van koolsoorten sterk verminderd is onder de zeer intense verbrandingscondities in de raceway.

De verbrandingsprestatie van koolsoorten kan verbeterd worden door de katalytische effecten van de bestanddeellmineralen of vertraagd door excessive mineraalconcentratie. SiO₂ en Al₂O₃ (alumina) kunnen de reactiesnelheid vertragen, terwijl calcium (Ca), magnesium (Mg), ijzer (Fe) en alkalietypen het kunnen verbeteren, met de katalytische effecten meer uitgesproken in lagere rang koolsoorten. Echter, de verbeterde verbrandbaarheid van mineraalrijke deeltjes is toegeschreven, niet aan katalytische effecten, maar aan gunstige diffusie van het reagerende gas door de mineralen en maceraal-mineraal interfaces. Het gebrek aan een duidelijke correlatie tussen char reactiviteit en de individuele anorganische fasen kan gerelateerd zijn aan verschillen in de invloed van temperatuur op koolmineraaltransformatie. Hoewel koolsoorten en chars met een hoge reactiviteit doorgaans bevorzugd worden, kan te hoge reactiviteit leiden tot onstabiele ovencondities.

Mengen kan de ongunstige verbrandingseigenschappen van een kool verwateren. Maar de verbrandingsprestatie van een mengsel is complexer dan die van een enkele kool. Elk van de koolcomponenten ontvluchtigt en verbrandt bij verschillende temperaturen en op verschillende tijden en hun verbranding kan dus aanzienlijk variëren. Verder kunnen interacties tussen de verschillende koolsoorten in het mengsel optreden wat voorspellingen van het verbrandingsgedrag van het mengsel vercompliceert. Interacties treden eerst op in de pulverisator waar de potentiële grote verschillen in de grootteverdeling van de componentenkoolsoorten zijn, met name als er significante verschillen in de hardheid van elke kool zijn. Disproportioneering treedt ook op, wat de mineraal- en petrografische samenstelling van de resulterende deeltjes beïnvloedt, en het daaropvolgende verbrandingsgedrag.

Interacties tussen de componentenkoolsoorten kunnen de verbrandbaarheid van het mengsel verhogen. Als voorbeeld, de verbrandbaarheid van LV koolsoorten kan verbeterd worden door te mengen met HV koolsoorten. De HV kool vrijgeeft meer VS wat helpt een hoger gastemperatuurveld te vormen, wat dan de LV kool opwarmt. Dit bevordert de ontvluchtiging, ontbranding en verbranding. Het synergistische effect is meer uitgesproken wanneer de fractie van HV kool hoger is, tot een bepaald percentage. Onder gesimuleerde HO condities, heeft een mengsel bevattend ongeveer 70% HV kool met 32,5% VS en 30% LV kool met 20% VS de hoogste verbranding gegeven.

Deeltjesgrootte effecten

De verbrandingsprestatie van kool wordt beïnvloed door hun deeltjesgrootte. Voor complete conversie, en dus effectieve benutting van de geïnjecteerde kool, moet de opwarming, deontvluchtiging, pyrolyse en verbranding van de deeltjes plaatsvinden in de periode tussen hun intrede in de hete blaas en de raceway grens. Normaal wordt een grotere hoeveelheid VS vrijgegeven met verminderde kooldeeltjesgrootte. Dit kan gasfase verbranding vergemakkelijken.

Fijnere deeltjes hebben hogere specifieke oppervlaktes en dus hogere verhittingssnelheden. De granulaire koolsoorten geven lagere hoeveelheden VS vrij dan wanneer ze gepulveriseerd zijn. Berekende pyrolyseopbrengsten wijzen erop dat bijna alle VS van de gepulveriseerde koolsoorten vrijgegeven worden terwijl het onvolledig is in het geval van de granulaire koolsoorten. De aanwezigheid van residuele VS in de granulaire koolsoorten beïnvloedt de daaropvolgende CO₂ vergassingsreactiviteit van de chars. Het is ook aangetoond dat de mate van deontvluchtiging in de fijnere deeltjes (45 micron tot 75 micron) completer is dan de grotere deeltjes (75 micron tot 150 micron). Het effect is meer uitgesproken voor de LV kool (15% VS) vergeleken met de HV kool (37% VS). Dit is aangezien een hogere VS vrijgave kan resulteren in meer roet en teer productie, geproduceerd uit secundaire reacties van de vluchtige stoffen. De reactiviteit van de roet is lager dan die van de onverbrande char. Dus, hoe lager de roetvorming; des te beter is de HO stabiliteit.

De VE (of verbranding) van kool neemt normaal toe met afnemende deeltjesgrootte aangezien een hoger oppervlak beschikbaar is voor reactie. Grotere deeltjes vereisen een langere tijd voor verbranding. De toename is meer uitgesproken naarmate VS inhoud toeneemt in koolsoorten. Echter, het deeltjesgrootte effect is ook afhankelijk van O₂ stoechiometrie, alsmede koolrang (en char reactiviteit). Het is gevonden dat grotere deeltjes van kool doorgaans een hogere VE (graad van verbranding) hebben bij O₂/C verhoudingen van groter dan 2 (brandstof arme condities) onder gesimuleerde HO condities. De kleinere deeltjes hebben hogere VE onder brandstof rijke condities (O₂/C verhouding minder dan 2).

Operationele factoren

Het effectieve gebruik van kool vereist operationele veranderingen om te compenseren voor veranderingen in de racewayparameters en hun effect elders in de HO (zoals de thermische toestand, slagregime en gasdynamica). Maatregelen om de verbranding van kool in de tuyère/raceway regio te intensiveren, en dus de injectiesnelheid te verhogen, omvatten (1) toename van de hoeveelheid O₂ in de tuyères, en (2) aanpassing in de blaastemperatuur en vocht. Er zijn enkele andere maatregelen genomen om de koolverbranding te verbeteren, zoals voorverhitting van de kool en het gebruik van additieven. Verder kan de keuze van deeltjesgrootte, en dus de maalparameters, ook de VE beïnvloeden.

Zuurstof kan aan de tuyère worden toegevoegd door (1) verrijking van de hete luchtblaas, (2) injectie door de koollanzen, en (3) aparte O₂ lanzen. De toevoeging van O₂ resulteert in hogere beschikbaarheid van O₂ voor participatie in de verbranding van kool in de raceway. Dus de VE van de kool neemt toe. Echter, de invloed van O₂ verrijking op VE is beperkt. Het is door berekening aangetoond dat de VE toeneemt met ongeveer 6,7% voor een HV kool (34,5% VS) en 3,3% voor een LV kool (14% VS) wanneer O₂ verrijking van de hete luchtblaas wordt verhoogd van 0% tot 6% per volume. Met hogere O₂ verrijking, kan VE daadwerkelijk afnemen door onvoldoende menging. Het verhogen van O₂ verrijking vergroot de diffusie van O₂, maar vermindert het volume van verbrandingsgas dat warmte overbrengt naar de kooldeeltjes. Dus, er is het niet-lineaire effect van blaas O₂ inhoud op de graad van koolverbranding.

Zuurstofverrijking van de hete luchtblaas produceert zowel een reductie in bosh gasstroom als een stijging in VT. Het eerste effect kan helpen de toename in ladingweerstand (lagere doorlatendheid) en de drukval geassocieerd met hoge injectiesnelheden te compenseren. Het tweede effect kan helpen het verkoelende effect van de ontbinding van de kool VS te compenseren. De CO en H₂ inhoud neemt ook toe met O₂ verrijking, wat resulteert in de verbeterde reductie van het ijzererts in de centrale schacht. De CW van het top HO gas verbetert normaal met O₂ verrijking.

De ondergrens van O₂ verrijking wordt doorgaans bepaald door de hoeveelheid nodig om de vereiste RAVT te handhaven, met meer O₂ nodig naarmate de VS inhoud van de kool toeneemt. Als de VT te hoog wordt, dan kan ladingdaling erratisch worden. Te lage VT belemmert koolverbranding en smelting van de ertslading. De bovengrens is afhankelijk van het handhaven van een voldoende top gastemperatuur. Naarmate O₂ toeneemt, daalt de gasmassa stroom binnen de HO, wat de warmtestroom naar het bovenste gebied van de oven voor het drogen van de lading verlaagt. De bovengrens van de top gastemperatuur wordt ook beheerst door de noodzaak om de top gas apparatuur te beschermen. Andere beperkingen voor O₂ verrijking omvatten de kosten en beschikbaarheid.

De positie en het ontwerp van de injectielans beïnvloeden de VE en asafzetting in de tuyère. Echter, oxy-kool lans injectie (co-annulaire injectie) kan een isolerend effect rond de kooldeeltjes produceren, wat resulteert in minder koolverbranding binnen de tuyère. Dit effect voortgezet in de raceway, en minder verbranding is het eindresultaat. Het verlagen van de O₂ lans injectiesnelheid in dit geval verbetert de VE.

De sleutelmaatregel voor verbranding bij hoge injectiesnelheid is een hoge blaastemperatuur. O₂ verrijking speelt een belangrijker rol als middel om gasstroom in de HO te controleren dan om de koolverbranding te controleren. Normaal is een hogere hete blaastemperatuur een kosteneffectieve maatregel dan O₂ verrijking aangezien het een lagere consumptie van O₂ toelaat. Verhoogde blaastemperatuur verlaagt ook cokesverbruik, typisch 10 kg/tRIJ voor elke toename van 40 °C met PKI, en leidt tot een kleine stijging in de raceway diepte. Een hogere blaastemperatuur is normaal vereist naarmate de VS van de kool toeneemt. Dit is vanwege de lagere char reactiviteit van de lage VS kool.

Het verlagen van blaasvocht kan helpen om de verkoelende effecten van PKI te compenseren. Als de RAVT excessief wordt, dan kan blaasvocht verhoogd worden. Het verhogen van de hete blaasvocht betekent meer H₂ in de bosh gas voor ijzerertsreductie. De optimale RAVT in HO werkend met hogere H₂ inhoud kan lager zijn dan de HO werkend met lagere H₂. Ook kan de blaassnelheid aangepast worden om niet alleen de koolverbranding te verbeteren, maar om de benodigde lengte van de racewayzone te handhaven wat cruciaal is voor het verkrijgen van goede condities in de hearth.

Onverbrand char

Naarmate de injectiesnelheid toeneemt, neigt de verbrandbaarheid van kool af wat resulteert in onverbrand materiaal (zoals char, fijnen, en vliegas) dat de raceway verlaat. Een deel van deze materialen, samen met cokespuin, verzamelt zich aan de achterkant van de raceway, in het vogelnest, wat de opgaande gasstroom en ingesloten vastestoffen in dit gebied belemmert. Het merendeel wordt omhoog geweeerd waar ze kunnen accumuleren onder de cohesieve zone, de doorlatendheid verlagen en dus de productiviteit van de HO.

Veranderingen in de doorlatendheid van de lagere ovenzone kunnen verder de RIJ kwaliteit en slagviscositeit beïnvloeden. Het onverbrande materiaal neigt te verzamelen op posities waar grote veranderingen in de gasstroom optreden. Uiteindelijk wordt het in de gasstroom ingesleept, door de cohesieve zone cokes sleuven, en op de schacht, waar het de lading doorlatendheid kan beïnvloeden, en wordt uiteindelijk geëmiteerd met het top HO gas. Hogere koolinjectiesnelheden verhogen ook het volume van verbrandingsgassen, en dus de gasstroom, en veranderen de warmtebelasting in het lagere deel van de HO. Daarnaast wordt meer slag geproduceerd.

De depositie van onverbrande fijn materiaal is een complex fenomeen bestaande uit verschillende generatiemechanismen, reacties, meervoudige fasen stroom, opbouw en re-ingang. Verschillende gasstroommodellen zijn ontwikkeld om het gedrag van fijn materiaal binnen de HO te begrijpen en te voorspellen. Met geschikte ladinglaadpatronen (zoals centrale cokes lading) en het gebruik van sterkere cokes kunnen veel van de problemen gerelateerd aan gasstroom worden overwonnen.

Bedrijfservaring heeft aangetoond dat het merendeel van het onverbrande materiaal (char) binnen de oven wordt verbruikt door de drie mechanismen die zijn (1) vergassing met CO₂ en H₂O, (2) reactie met vloeibaar ijzer (verkooling), en (3) reactie met slag. Het is voordelig als de onverbrande char deeltneemt in de ertsreductiereacties, dus meer van de cokes vervangt en de hoeveelheid onverbrande vastestoffen in het top HO gas verlaagt. De drie char verbruik mechanismen worden hieronder beschreven.

De vergassingsreactie van char met CO₂ en H₂O begint in de raceway, maar omdat de verblijftijd voor fijn deeltjes te kort is voor waarnembare reactie, vindt vergassing voornamelijk plaats in de HO schacht. De reacties van char C met CO₂ (de oplossingsverlies of Boudouard reactie) en H₂O zijn langzamer dan char verbranding. De char verkregen uit kool concurrert met die uit cokes voor CO₂ en H₂O. Char uit kool is reactiever dan de char uit cokes en wordt dus preferentieel vergast. Daarom neemt cokesdegradatie door de oplossingsverlies reactie af met toenemende PKI snelheden. In het algemeen heeft hoge VS kool char een hogere CO₂ reactiviteit dan lage VS kool char. Echter de char reactiviteit in het geval van lage VS kool kan verbeterd worden door het te mengen met de hoge VS kool. De CO₂ reactiviteit van koolmengsels is niet-additief.

De reactiviteit van C in de onverbrande char aan CO₂ en H₂O is niet alleen afhankelijk van het oppervlak (deeltjesgrootte) maar ook van de structuur en samenstelling, alsmede de operatiecondities in de HO. Het is aangetoond dat de CO₂ vergassingsreactiviteit van koolchar toeneemt met temperatuur tot 1500 °C, met name tussen 1300 °C en 1500 °C. Complete char vergassing vereist doorgaans een contacttijd van ongeveer 10 seconden bij 1500 °C. Aangezien de verblijftijd voor deeltjes bij zulke hoge temperaturen te kort is in een HO, vindt char vergassing voornamelijk plaats bij dalende temperaturen in de ovenschacht.

De eigenschappen van char veranderen naarmate het de HO opwaarts beweegt, en dus zijn reactiviteit aan CO₂ en H₂O. De reagerende atmosfeer is niet uniform. Als voorbeeld, de concentraties van CO, CO₂, H₂ en H₂O variëren op verschillende locaties binnen de HO. Injectie van kool verhoogt de bosh gas H₂ concentratie. Aangezien de chemische reactiesnelheid van H₂ reductie hoger is dan die van CO, neemt de mate van oplossingsverlies reactie af naarmate de bosh gas H₂ stijgt. CO₂ en H₂O zijn aanwezig in het bovenste deel van de HO door de reductie van ijzererts. Onder de condities hier, wordt char vergassing door CO₂ verwacht gecontroleerd door de snelheid van de chemische reacties. In het lagere deel van de HO is char vergassing deels diffusie gecontroleerd. Daarom is de algehele reactiesnelheid van char vergassing waarschijnlijk beïnvloed door de chemische reactiviteit van char aan CO₂ in deze regio. Char reactiviteit ten opzichte van CO₂ wordt ook beïnvloed door de chemische structuur, met minder geordende structuren die reactiever zijn.

De aanwezigheid van bepaalde mineralen in de char as, zoals Fe en alkalien, kan de CO₂ vergassingsreactie katalyseren, terwijl andere mineralen, zoals SiO₂ en Al₂O₃, de reactie kunnen vertragen. Deze katalytische effecten worden meer uitgesproken voor lage rang koolsoorten. Afhankelijk van de samenstelling, kan as ook de C conversie vertragen door blokkage van char deeltjes als gevolg van verhoogde fractie slagvorming in het char deeltje. In het lagere deel van de HO, gecondenseerde alkalien uit de recirculerende gassen (afkomstig van kool, cokes en ijzererts) kunnen een katalytisch effect hebben. Het verlies van C door vergassing verhoogt de char as inhoud.

Verkooling van de RIJ begint in de vaste fase binnen de cohesieve zone van de HO, en gaat door tijdens de daling van de metaaldruppels door de actieve cokes, dode man en hearth zones. Onverbrand char en fijn materiaal dat de raceway verlaat, kan contact maken met de druppelende vloeibare metaal in de bosh en hearth zones. C en andere elementen, zoals Fe, Si (silicium) en S (zwavel), lossen uit de char in het vloeibare ijzer op en beïnvloeden dus de samenstelling van de RIJ. De ontbinding van C draagt bij aan de verkooling van vloeibaar ijzer, en controleert het niveau van char verbruik door de RIJ. Het wordt kritisch wanneer de VE laag is. Als de RIJ dicht bij verzadiging is wanneer het dode man en hearth bereikt, kan het onverbrande materiaal niet worden verbruikt, wat de doorlatendheid in deze regio's verlaagt. De C kan komen van onverbrande kool alsmede van cokes. Aangezien de ontbindingssnelheid van C van koolchar een langzamer proces is dan die van cokes, wordt C van cokes preferentieel verbruikt.

Koolstofontbinding uit onverbrand char in vloeibaar metaal wordt beïnvloed door de oven operatiecondities en de volgende factoren:

• Char deeltjesgrootte – Onverbrande char die zijn gepulveriseerde vorm behouden, reageert heel weinig met het vloeibare metaal en de slag aangezien ze niet in het vloeibare kunnen penetreren. Als echter, de char deeltjes geagglomereerd zijn in grotere deeltjes of gevangen door de grotere stukken cokes, dan gedragen ze zich als bosh cokes en verkoken het vloeibare metaal tot verzadiging. Echter, een tuyère proefmonster genomen bij een HO in Australië gaf aan dat ultrafijne koolchar deeltjes kunnen reageren met de druppelende vloeibare metaal, en dat ze gemakkelijker opgelost worden dan ultrafijne cokesdeeltjes. Experimenten, wel, hebben aangetoond dat de ontbindingssnelheid van C uit koolchar, hoewel bij grotere deeltjesgroottes, een langzamer proces is dan die uit cokes.
• Char structuur – Normaal verbetert de ontbindingssnelheid naarmate de C structuur meer geordend wordt.
• Char mineraalmaterie – In het algemeen vertragen SiO₂, Al₂O₃ en MgO (magnesia) de C ontbindingskinetica, terwijl CaF₂ (calciumfluoride) en Fe-oxiden de snelheid verhogen. Het effect van CaO (calciumoxide) is minder duidelijk. De reactie van Ca (calcium) met S in het metaal produceert een laag van CaS (calciumsulphide) die C overdracht kan belemmeren. De AST is ook een van de controlerende mechanismen die de C ontbinding beperken. De vorming van een aslaag op het koolstofhoudende materiaal vermindert het beschikbare oppervlak voor ontbinding, wat de C ontbindingssnelheden vertraagt. Lage AST laat gemakkelijke verwijdering van de as toe, in de vorm van vloeibare slag. Dit resulteert in constante blootstelling van vers C oppervlak aan de RIJ, wat de massaoverdracht van C naar het vloeibare ijzer toestaat.
• Vloeibaar ijzer samenstelling – Het verandert in de loop van de tijd. De C ontbindingssnelheid is typisch gedaald naarmate de C inhoud van het vloeibare ijzer toeneemt. Hogere S inhoud vertraagt ook de C ontbinding. Verbranding van kool en cokes vrijgeven zwaveloxiden (SOx) die kunnen reageren met het dalende metaal en slag.

Onverbrand char, as, fijnen en cokes kunnen interageren met de druppelende slag. De slagsamenstelling verandert naarmate het de HO afdaalt, met de Fe oxide concentratie die continu wordt verlaagd. De reacties aan de interface tussen het vaste char en vloeibare slag spelen een grote rol in char verbruik aangezien ze de kinetica van de reductiereacties en het contactoppervlak tussen de slag en char beschikbaar voor reactie beïnvloeden.

Factoren die onverbrande char interacties met de slag beïnvloeden omvatten de slagsamenstelling, char C inhoud, en char as inhoud en samenstelling, alsmede de oven operatiecondities. Char verbruik door slagen vindt basisal plaats via de volgende mechanismen:

• Reductie van de Fe-oxiden in slagen door C in de char – De benettingskarakteristiek heeft een significant effect op het dominante reductiemechanisme dat plaatsvindt. De benettingskarakteristiek van slagen varieert met slagsamenstelling, temperatuur, tijd, en koolstofhoudend materiaal. Benetting varieert als functie van tijd aangezien de reductie van Fe oxide in de slag door char, en de ontbinding van de char as componenten in de slag, resulteert in continue variaties in de slag en char samenstellingen. Een toename in temperatuur resulteert normaal in verbeterde benetbaarheid aan de slag/C interface. Reductiesnelheid neemt doorgaans toe met toenemende slag FeO (2% tot 10%) inhoud en met toenemende reactietemperatuur (1300 °C tot 1600 °C). In het algemeen worden koolchars slecht benat door slag die meer dan 10% FeO bevat bij 1400 °C en 1500 °C. Een snellere reactiesnelheid voor cokes suggereert dat cokesfijn preferentieel verbruikt wordt vóór koolchar.
• Reductie van SiO₂ in slag door C van de char – Het is een functie van temperatuur. Bij temperaturen minder dan 1500 °C treedt alleen reductie van FeO op. Bij hogere temperaturen worden zowel SiO₂ als FeO in de slag gereduceerd, wat resulteert in verhoogd verbruik van de char. SiO₂ wordt gereduceerd door C, via gasvormig SiO, tot Si of siliciumcarbide (SiC). Zelf-reductie van SiO₂ in de char as door C kan ook plaatsvinden, wat resulteert in verder verbruik van de char. De reductiekinetica van SiO₂ wordt beïnvloed door de benetbaarheid van char door de slag. Benettingsgedrag verbetert met een toename in slag SiO₂ inhoud, en met een toename in temperatuur (1500 °C tot 1700 °C). Grotere hoeveelheden SiO₂ en FeO in de char as faciliteren de slag/C interacties, wat leidt tot verbeterde consumptie van deze oxiden door reductiereacties.
• Interactie tussen componenten in de slag en char – Dit leidt tot de assimilatie van char as componenten zoals S. Daarnaast kan de reductie van MgO in slag door char C leiden tot verder verbruik. Zelf-reductie van de oxiden in de char as door C kan ook bijdragen aan char verbruik.

Slagviscositeit heeft ook een rol te spelen. De aanwezigheid van onverbrand char in de slag kan de aftapping belemmeren door de slagviscositeit te verhogen, terwijl absorptie van char normaal de vloeibaarheid van de bosh slag verhoogt. Veranderingen in slagmobiliteit kunnen de positie en vorm van de vloeibare en cohesieve zones beïnvloeden. Een hoge viscositeit slag rond de tuyères leidt tot ernstige gasstroomproblemen. Slagviscositeit is een complexe functie van slagsamenstelling, temperatuur en partiële druk van O₂. Ook onverbrand char, cokes, en onverbrande as uit de kool kunnen interageren met de slag. Al deze koolstofhoudende materialen dragen oxiden bij aan de slag. In het algemeen verhogen hogere hoeveelheden SiO₂ of Al₂O₃ (zure componenten) de slagviscositeit, terwijl een hogere basiciteit (hogere CaO of MgO) de slagviscositeit verlaagt door depolymerisatie van het silicatenetwerk. Slagviscositeit daalt met toenemende FeO (0% tot 20%) inhoud bij een vaste basiciteit. Basiciteit wordt normaal bepaald door de CaO/SiO₂ verhouding. Aangezien de slag de char en as in de bosh regio niet volledig absorbeert, heeft bosh slag normaal een hogere basiciteit dan getapte slag. De toevoeging van fluxen kan helpen bij het oplossen van slagvormingsproblemen.