Analiza wyników testów w piecu CPM

Wzrost uzysku koksu w efekcie podsuszenia wsadu jest determinowany dwoma czynnikami: wzrostem gęstości nasypowej wsadu (w efekcie zwiększenia ruchliwości ziaren węglowych wynikającym ze zmniejszenia ilości menisków wodnych pomiędzy ziarnami węgla [Strugała A. 2006]) oraz zwiększonym uzyskiem koksu z jednostki masy wsadu. Ten ostatni jest wynikiem zwiększonej konwersji ciekłych i gazowych produktów pirolizy do koksu, jaka ma miejsce w przypadku gęstszego upakowania ziaren węglowych koksowanego wsadu [Griaznow N. 1976].

Wpływ operacji podsuszania na zagęszczenie wsadu w komorze ilustruje rys. 8.9. W przypadku obu grup badanych mieszanek stwierdzono pozytywny wpływ tej operacji na gęstość nasypową wsadu w komorze. Dla mieszanek skomponowanych wyłącznie z węgli polskich (pierwsza grupa mieszanek) gęstość nasypowa wzrosła o 6,2%, a dla mieszanek skomponowanych z węgli polskich i zagranicznych (druga grupa mieszanek) – o 4,3%. Niewielkie różnice gęstości nasypowej między tymi grupami mieszanek wynikały z różnego rozkładu uziarnienia węgli orto-koksowych i węgli gazowo-koksowych zastosowanych jako komponenty tych mieszanek.

98 Rys. 8.9 Wpływ podsuszania wsadu na gęstość nasypową wsadu dla obu grup badanych mieszanek węglowych (niepewność oceny gęstości nasypowej: ± 15 kg/m3 dla przedziału ufności 95%).

Wpływ operacji wstępnego podsuszania wsadu na uzysk koksu z tony wsadu (wyrażony w procentach) ilustruje rysunek 8.10. W przypadku pierwszej grupy mieszanek zaobserwowano niewielki, tj. ok. 1% wzrost wskaźnika uzysku a w przypadku drugiej grupy mieszanek nie stwierdzono istotnego wpływu podsuszania wsadu na wspomniany wskaźnik.

Wydajność baterii koksowniczych można scharakteryzować wskaźnikiem uzysku koksu z 1 m³ objętości użytkowej komory. Wskaźnik ten, wyznaczony jako iloczyn gęstości nasypowej wsadu w komorze i wskaźnika uzysku koksu z 1 Mg wsadu, dla obu badanych grup mieszanek pokazano na rysunku 8.11. W obu przypadkach stwierdzono pozytywny wpływ operacji podsuszania wsadu na wielkość uzysku koksu z 1 m3 objętości użytkowej komory koksowej – dla pierwszej grupy mieszanek wzrost tego wskaźnika wyniósł średnio 5,7% a dla drugiej grupy – 6,2%.

Rys. 8.10 Wpływ podsuszania wsadu na wskaźnik uzysku koksu z tony wsadu dla obu grup badanych mieszanek węglowych (niepewność oceny uzysku: ± 0,25% dla przedziału ufności 95%).

99 Rys. 8.11 Wpływy operacji podsuszania wsadu na wskaźnik uzysku koksu z 1 m³ komory

koksowniczej dla obu grup badanych mieszanek węglowych (niepewność oceny uzysku: ± 0,2% dla przedziału ufności 95%). Porównując wskaźniki uzysku koksu z 1 m3

objętości użytkowej komory dla podsuszonych mieszanek o podwyższonej zawartości węgli gazowo-koksowych ze wskaźnikiem uzyskanym dla mieszanki bazowej (wilgotna mieszanka o 10 %-owym udziale węgli gazowo-koksowych) można sformułować następujący wniosek: pomimo zwiększenia w mieszance udziału węgli o wyższej zawartości części lotnych, dzięki jej podsuszaniu i związanego z tym wzrostu zagęszczenia wsadu w komorze, proponowane zmiany w sposób jednoznacznie korzystny wpływają na uzysk koksu z 1 m3

komory a tym samym na wydajność procesu koksowania.

Jakość koksu

W przypadku mieszanek skomponowanych wyłącznie z węgli krajowych podsuszanie wsadu generalnie wywiera pozytywny wpływ na wytrzymałość mechaniczną koksu ocenianą za pomocą wskaźników M40 i I40, przy czym wpływ ten jest szczególnie wyraźny dla mieszanek o niższych udziałach węgla typu 34. W przypadku zastosowania podsuszania wsadu dla tej grupy mieszanek możliwe jest zwiększenie w nich udziału węgli typu 34 o 20 % bez istotnego pogorszenia jakości produkowanego koksu – rys. 8.12 i rys. 8.13.

W przypadku mieszanek skomponowanych z węgli krajowych i zagranicznych korzystny wpływ podsuszania wsadu nie jest już tak wyraźny. Tym niemniej można sformułować wniosek, iż dla tej grupy mieszanek możliwe jest zwiększenie w nich udziału węgli typu 34 o 10 % bez istotnego pogorszenia tych wskaźników (M40 i I40) – rys. 8.12 i rys. 8.13.

100 Rys. 8.12 Wpływ operacji podsuszania wsadu na wskaźnik M40 otrzymanego koksu - wyniki dla obu grup badanych mieszanek, (niepewność oceny wskaźnika: ± 1,5 dla przedziału ufności 95%).

Rys. 8.13 Wpływ operacji podsuszania wsadu na wskaźnik I40 otrzymanego koksu – wyniki dla obu grup badanych mieszanek, (niepewność oceny wskaźnika: ± 2,5 dla przedziału ufności 95%).

Wpływ podsuszania wsadu na ścieralność koksu ocenianą za pomocą wskaźników M10 oraz I10 w przypadku obu grup badanych mieszanek jest pozytywny – rys. 8.14 i rys. 8.15. Z kolei wzrost udziału w mieszance węgli gazowo-koksowych niekorzystnie wpływa na oba te wskaźniki. Można jednak sformułować wniosek, słuszny dla obu grup mieszanek, że dzięki zastosowaniu podsuszania wsadu możliwe jest zwiększenie udziału węgli gazowo-koksowych w mieszance o 20% bez istotnego pogorszenia obu rozpatrywanych wskaźników produkowanego koksu w odniesieniu do mieszanek bazowych (mieszanki wilgotne o 10 %-wym udziale węgli typu 34).

101 Rys. 8.14 Wpływ operacji podsuszania wsadu na wskaźnik M10 otrzymanego koksu - wyniki dla obu grup badanych mieszanek (niepewność oceny wskaźnika: ± 0,5 dla przedziału ufności 95%).

Rys. 8.15 Wpływ operacji podsuszania wsadu na wskaźnik I10 otrzymanego koksu - wyniki dla obu grup badanych mieszanek, (niepewność oceny wskaźnika: ± 1,0 dla przedziału ufności 95%).

Rys. 8.16 Wpływ operacji podsuszania wsadu na wskaźnik CRI otrzymanego koksu - wyniki dla obu grup badanych mieszanek, (niepewność oceny wskaźnika: ± 2,5 dla przedziału ufności 95%).

Reaktywność powstającego koksu dla obu grup mieszanek węglowych, oceniana wskaźnikiem CRI, nie zmienia się istotnie, zarówno w badanych zakresach zmian zawartości wilgoci w mieszankach jak i w przy wzroście udziału w nich węgli gazowo-koksowych – rys. 8.16. Konstatacja taka jest zgodna z wynikami prezentowanymi m.in. przez Tramera i in. (2001) oraz Czaplickiego (2007).

102 Ostatni z analizowanych wskaźników, tj. wytrzymałość koksu po reakcji (CSR) jest kluczowym parametrem jakościowym charakteryzującym zachowanie się koksu w wielkim piecu [Pusz S., Buszko R. 2012], [Sakurovs R, i in., 2012]. Jego wartość determinowana jest zarówno wyjściowymi własnościami mechanicznymi koksu jak i ich zmianą pod wpływem przebiegającej w wysokiej temperaturze wielkiego pieca reakcji zgazowania koksu ditlenkiem węgla. Zaobserwowano, szczególnie dla pierwszej grupy badanych mieszanek, niekorzystny wpływ zwiększonego udziału węgli gazowo-koksowych na ten wskaźnik. Z kolei wstępne podsuszanie dla obu grup badanych mieszanek wywierało korzystny wpływ na wartość wskaźnika CSR – rys. 8.17. Reasumując, dla obu rozpatrywanych grup mieszanek węglowych dzięki zastosowaniu podsuszania wsadu możliwe jest zwiększenie udziału węgli gazowo-koksowych w mieszance o 20% bez istotnego pogorszenia jakości produkowanego koksu.

Rys. 8.17 Wpływ operacji podsuszania wsadu na wskaźnik CSR otrzymanego koksu - wyniki dla obu grup badanych mieszanek, (niepewność oceny wskaźnika: ± 2,5 dla przedziału ufności 95%). Reasumując, na podstawie oceny jakości koksu produkowanego z mieszanki bazowej oraz podsuszonych mieszanek o zwiększonym udziale węgla typu 34 można sformułować następujące wnioski:

 w przypadku pierwszej grupy mieszanek (skomponowanych wyłącznie z węgli polskich) zastosowanie wstępnego podsuszania wsadu umożliwia zwiększenie udziału węgli gazowo-koksowych do 30 % bez istotnego pogorszenia jakości produkowanego koksu,

 w przypadku drugiej grupy mieszanek (skomponowanych z węgli krajowych i zagranicznych) zastosowanie wstępnego podsuszania wsadu umożliwia zwiększenie udziału węgli gazowo-koksowych do 20 % bez istotnego pogorszenia jakości produkowanego koksu (dla tej grupy mieszanek, przy wzroście udziału węgli gazowo-koksowych do 30% stwierdzono istotne pogorszenie się tylko jednego z analizowanych parametrów, tj. wskaźnika I40).

Maksymalne ciśnienie generowane w procesie koksowania

W przypadku obu grup badanych mieszanek w efekcie zastosowania wstępnego podsuszenia zaobserwowano zwiększenie maksymalnego ciśnienia wywieranego przez koksowany wsad na ściany komory – rys. 8.18. Dla pierwszej grupy mieszanek wzrost tego ciśnienia wyniósł średnio 2,1 kPa a dla drugiej grupy – 1,6 kPa. Należy jednak podkreślić, że jedynie dla podsuszonej mieszanki skomponowanej wyłącznie z węgli krajowych o udziale węgla gazowo-koksowego 10% odnotowano maksymalne ciśnienie nieznacznie przekraczające 7 kPa, która to wartość traktowana jest jako ostrzegawcza

103 [Karcz A. 2001a], [Karcz A. 2001b], [Nomura S. i in. 2006]. Zgodnie z wieloletnim doświadczeniami CPM jako wartość krytyczną przyjmuje się 10 kPa [Procedure of the coal carbonization tests in CPM 2010].

Rys. 8.18 Wpływ operacji podsuszania wsadu na wartość maksymalnego ciśnienia wywieranego na ściany komory dla obu grup badanych mieszanek

(niepewność pomiaru ± 15% dla przedziału ufności 95%).

Analizując ten ważny dla procesu koksowania parametr można stwierdzić, że w porównaniu z mieszanką bazową (mieszanka wilgotna z 10 %-owym udziałem węgli gazowo-koksowych):

 w wyniku zastosowania operacji podsuszania wsadu w przypadku obu grup badanych mieszanek stwierdzono wzrost ciśnienia koksowania,

 dla obu grup podsuszonych mieszanek maksymalne wartości ciśnienia nie przekraczały wartości przyjmowanych jako graniczne (dopuszczalne); w przypadku mieszanek podsuszonych zaobserwowano niebezpieczną wartość ciśnienia jedynie w przypadku mieszanki z pierwszej grupy o zawartości 10 % węgla typu 34.

Zużycie energii w procesie koksowania wilgotnych i podsuszonych mieszanek

Poprawa sprawności energetycznej procesu koksowania jest jednym z kluczowych rezultatów, jakie są oczekiwane w wyniku wdrożenia operacji wstępnego podsuszania wsadu [Żarczyński P. i in., 2013]. Wyższa sprawność energetyczna całego procesu technologicznego oznacza bowiem obniżenie jednostkowej emisji CO2 do atmosfery oraz poprawę efektywności ekonomicznej procesu produkcyjnego. Podczas prób koksowania w piecu testowym dla obu grup mieszanek węglowych zarówno wilgotnych jak i podsuszonych wyznaczono zużycie energii elektrycznej.

Należy podkreślić, że ze względu na zastosowany sposób suszenia wsadu węglowego (suszenie napowietrzne) rejestrowany efekt był wynikiem jedynie obniżonej wilgotności wsadu. W instalacjach przemysłowych efekt ten będzie jeszcze większy z uwagi na podwyższoną temperaturę wsadu podawanego do komory koksowniczej. Szczegółowe dane dotyczące zużycia energii w procesie koksowania w instalacji testowej CPM dla mieszanek wilgotnych i podsuszanych z grupy pierwszej podano w tabeli Z.23 a dla mieszanek z grupy drugiej w tabeli Z.24 (Załączniki). Zmiany zużycia energii w wyniku zastosowania wstępnego podsuszania wsadu w sposób syntetyczny pokazano na rysunku 8.19.

104 Rys. 8.19 Wpływ operacji podsuszania wsadu na wartość jednostkowego zużycia energii

elektrycznej w procesie koksowania dla obu grup badanych mieszanek (niepewność pomiaru: ± 2% dla przedziału ufności 95%).

Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić, że podsuszanie wsadu zmniejsza zapotrzebowanie na jednostkowe ciepło do procesu koksowania w testowej komorze koksowniczej średnio o 7,5÷8,5%, zależnie od badanej grupy mieszanek węglowych. Należy zaznaczyć, że instalacja testowa CPM charakteryzuje się wyższym jednostkowym zużyciem ciepła niż piece przemysłowe, co wynika ze specyfiki i skali tego urządzenia.