Badania termicznej preparacji wsadu w skali laboratoryjnej i półtechnicznej

Idea termicznej preparacji wsadu przed jego załadunkiem do komory koksowniczej została zaproponowana w latach 20-tych ubiegłego wieku [Parr S. W., Layng T. E. 1921], [Parr S. W. 1929]. Wyniki prac badawczych z tego okresu zostały zgromadzone i opublikowane w 1945 roku [Lowry T. E. 1945]. Dalszy rozwój wiedzy o rozpatrywanych procesach nastąpił w okresie powojennym w rezultacie badań prowadzonych w wielu krajach (m.in. Francja, Niemcy, Japonia, ZSSR, Wielka Brytania, USA a także Polska – ICHPW oraz AGH).

Wyniki tych prac wykazały, że suszenie i wstępne podgrzewanie węgli przed załadunkiem do komory koksowniczej prowadzi do:

 zwiększenia zdolności produkcyjnej koksowni,

 zmniejszenia ilości wód pogazowych o wysokiej zawartości fenoli,

 przedłużenia żywotności masywu ceramicznego baterii koksowniczej.

Równocześnie pojawiły się rozbieżne oceny, co do wpływu procesów suszenia i podgrzewania węgli na ich właściwości koksotwórcze oraz jakość produkowanego koksu.

Jak już wspomniano, jednym z podstawowych efektów termicznej preparacji wsadu jest podniesienie zdolności produkcyjnej baterii koksowniczej. Efekt ten jest wynikiem wzrostu gęstości nasypowej wsadu oraz obniżenia zawartości wody w mieszance węglowej. Przeniesienie części lub całości procesu usuwania wilgoci ze wsadu poza komorę koksowniczą powoduje skrócenie czasu koksowania w komorze koksowniczej [Karcz A. 2009]. Wg [Frankl Z. 1970] minimalny czas koksowania występuje przy obniżeniu wilgotności do 7÷8%; dalsze ograniczenie zawartości wilgoci powoduje pewne wydłużenie tego czasu, choć nadal jest on krótszy od czasu cyklu dla mieszanki wilgotnej. Jeśli chodzi o zdolność produkcyjną baterii to ze spadkiem zawartości wilgoci we wsadzie rośnie ona sukcesywnie; niewielki przyrost czasu obserwowany po przekroczeniu wspomnianej zawartości wilgoci jest bowiem z nadwyżką kompensowany przez efekt przyrostu gęstości nasypowej mieszanki w komorze koksowniczej [Frankl Z. 1970], [Czaplicki A. 2007].

Efekt wzrostu zagęszczenia wsadu w komorze jest wynikiem zmniejszenia się sił kapilarnych menisków wodnych usytuowanych pomiędzy ziarnami węgla, co umożliwia ich wzajemne zbliżenie [Strugała A. 1982]. Dodatkowo podgrzana mieszanka wsadowa wykazuje właściwości pseudocieczy. Potwierdzeniem tego są pomiary kąta naturalnego usypu mieszanki, który dla zawartości wilgoci na poziomie 10% wynosi 67^o, a dla mieszanki podsuszonej do 6% zawartości wilgoci wynosi 45^o [Zieliński H. i in. 1985]. Efektem tego jest skrócenie czasu procesu napełniania komory oraz wyrównywania wysokości wsadu w komorze. Rozkład gęstości wsadu w przestrzeni komory (po jej wysokości i długości) jest bardziej równomierny, co poprawia wymianę ciepła pomiędzy ścianami grzewczymi a wsadem oraz korzystnie wpływa na warunki hydrauliczno-temperaturowe procesu koksowania. W konsekwencji poprawia się jakość koksu i trwałość masywu ceramicznego [Czaplicki A. 2007], [Frankl Z. 1970], [Reguła R. 2005], [Karcz A. 1991]. Osiągany tą drogą wzrost gęstości wsadu przynosi szereg pozytywnych skutków. Pierwszym z nich jest wzrost jednostkowej masy wsadu podawanego do komory, a w konsekwencji zwiększenie uzysku koksu z komory i zdolności produkcyjnej całej baterii koksowniczej. Kolejny to poprawa warunków, w jakich przebiega proces spiekania ziaren wynikająca zarówno ze wzrostu zagęszczenia wsadu jak i spadku jego wilgotności. Wzrost gęstości nasypowej w zakresie 750-1050 kg/m3

35 liniowy spadek ścieralności, przy czym efekt jest tym silniejszy, im więcej jest części lotnych w mieszance. Wzrost zagęszczenia wsadu ogranicza przestrzeń dla wydymania się ziaren, utrudnia ewakuację par i gazów z rozkładu węgla, zwiększa zawartość substancji bitumicznych w jednostce wsadu i sprawia, że ruch gazów odbywa się głównie w kierunku ścian komory. Powoduje to wzrost ciśnienia par i gazów oraz gęstości w warstwie plastycznej, co poprawia kontakt fazy ciekłej i stałej, jak również podnosi temperaturę wrzenia ciekłych produktów pirolizy, wskutek czego pozostają one w miejscu powstawania i zwiększają uplastycznienie węgla [Diez M. i in. 1991], [Strugała A. 1982], [Strugała A. 2006]. Wzrost zagęszczenia wsadu i większa jego równomierność jak też wzrost ciśnienia koksowania korzystnie wpływają na kawałkowatość produkowanego koksu [Diez M. i in. 1991].

Większość prac badawczych dotyczących oddziaływania podsuszania czy podgrzewania wsadu na jakość koksu dotyczyła głównie zmian jego właściwości mechanicznych ocenianych metodą Micum - m in. [Holub J., 1963a], [Holub J., 1963b], [Loison R. i in. 1970], [Frankl, Z. 1970] [Czaplicki A. 2007], [Tramer A. i in. 2001]. Z wyników tych prac wynika, że wzrost zagęszczenia wsadu w komorze w wyniku jego termicznej preparacji pozwala uzyskać:

 niższą wartość wskaźnika ścieralności M10,

 niższą wartość wskaźnika szczelinowatości,

 wyższą wartość wskaźnika wytrzymałości poreakcyjnej CSR,

 niższą porowatość, przy jednocześnie bardziej równomiernych wymiarach porów,

 wyższą gęstość pozorną koksu,

 wyższy uzysk koksu grubego.

Wpływ rozpatrywanych operacji na wytrzymałość mechaniczną koksu M₄₀ nie jest już tak jednoznaczny. Wskaźnik ten w większości przypadków nie zmienia się, a jedynie w nielicznych wzrasta. Ewentualna poprawa wskaźnika M40 zależna jest od własności koksotwórczych mieszanki – dla mieszanek o bardzo dobrych własnościach jest ona niższa i widoczna dopiero przy zawartości wody poniżej 6%.

W ostatnich latach przeprowadzono szereg badań laboratoryjnych nad wpływem podsuszania wsadu węglowego na jakość koksu ocenianą wskaźnikami NSC [Tramer A. i in. 2001], [Karcz A. 2007]. Badania mieszanek węglowych o różnej zawartości wody po podsuszaniu przeprowadzone w instalacji Karbotest [Tramer A. i in. 2001] wykazały, że podsuszanie wsadu węglowego:

 pozwala zwiększyć gęstość nasypową w przedziale 47÷82% (w zależności od składu ziarnowego i stopnia usunięcia wilgoci),

 w przypadku mieszanek o słabych własnościach koksotwórczych zawsze obniża reakcyjność CRI (o ok. 4 punkty procentowe) i podwyższa wytrzymałość poreakcyjną CSR otrzymanego koksu (o ok. 12 punktów procentowych),

 przypadku mieszanek o dobrych własnościach koksotwórczych podwyższa wytrzymałość poreakcyjną CSR otrzymanego koksu (o ok. 3÷5 punktów procentowych), natomiast wskaźnik CRI pozostaje na stałym poziomie niezależnie od zawartości wilgoci w podsuszonej mieszance wsadowej,

Ponadto wykazano, że w wyniku podsuszania wsadu do zawartości wilgoci poniżej 5% możliwe jest zwiększenie udziału węgli semikoksowych w mieszankach węglowych o 20% kosztem udziału orto-koksowych bez pogorszenia wskaźników CRI i CSR otrzymanego koksu.

Badania przeprowadzone w AGH [Karcz A. 2007] dotyczyły wpływu procesu podsuszania wsadu na własności koksotwórcze mieszanek wsadowych i jakość produkowanego z nich koksu. Badania te zostały przeprowadzone w skali laboratoryjnej na bazie mieszanek komponowanych z węgli polskich. Wykazały one, że podsuszanie

36 wsadu ma niewielki wpływ na własności koksotwórcze badanych mieszanek. Zaobserwowano niewielkie obniżenie wskaźnika dylatacji b. Dla części mieszanek ograniczony został też zakres temperatur plastyczności (tIII-tI). Wskaźnik wolnego wydymania SI nieznacznie się obniżał lub pozostawał na niezmienionym poziomie. W badaniach tych sprawdzono także wpływ temperatury medium suszącego (150 i 210 oC), końcowej zawartości wilgoci (4 i 6%) oraz rodzaju stosowanego medium suszącego (powietrze i azot) na własności koksotwórcze badanych mieszanek. Wyniki badań nie wykazały istotnego wpływu tych czynników na wskaźniki charakteryzujące właściwości koksotwórcze badanych mieszanek węglowych. Uzyskane wyniki porównano z doświadczeniami przemysłowymi głębokiego suszenia węgli (typu Precarbon, Coaltek), w których występowały przypadki drastycznego pogorszenia własności koksotwórczych mieszanek węglowych oraz doświadczeniami przemysłowymi z instalacjami podsuszania wsadu w technologii CMC, gdzie takich zjawisk nie zaobserwowano. Wyjaśnienia przyczyn pogorszenia własności koksotwórczych mieszanek węglowych po podgrzewaniu dokonano na podstawie analizy modelu procesu podsuszania materiałów porowatych [Baumann H. i in. 1978], [Novak L. T., Coulman G. A. 1975]. Zgodnie z nim operacja podsuszania wsadu jest niepełnym usuwaniem wilgoci, co powoduje, że wydzielająca się z porów para wodna nie jest odprowadzona do końca i posiada prężność par wyższą niż prężność gazu suszącego – to zabezpiecza ziarna węgla przed działaniem czynnika utleniającego. Nieodparowana wilgoć higroskopijna stabilizuje też temperaturę wewnątrz ziaren a powstająca para wodna uniemożliwia wzrost temperatury powyżej 100o

C [Baumann H. i in. 1978], [Novak L. T., Coulman G. A. 1975], [Karcz A. i in. 2007]. W dalszej części opisywanych badań zostały przeprowadzone próby koksowania w skali laboratoryjnej w instalacji Karbotest dla dwóch grup mieszanek wilgotnych (10%) i podsuszonych (6 i 4%). Pierwsza grupa składała się wyłącznie z węgli orto-koksowych, a druga zawierała 25% węgli gazowo-koksowych. Testy koksowania zostały przeprowadzone w wykorzystaniem różnych mediów suszących: powietrza i azotu o temperaturze 150 i 210 ^oC oraz dla różnej końcowej wilgotności podsuszanego wsadu, tj. 4 i 6%. Gęstość nasypowa została obliczona wg modelu empirycznego uwzględniającego skład ziarnowy i zawartość wilgoci [Strugała A. 1982]. Dla porównania jakości otrzymanego koksu we wszystkich próbach wyznaczono wskaźniki CRI i CSR wg NSC. Uzyskane wyniki wykazały korzystny wpływ podsuszania wsadu dla obu grup mieszanek. Reakcyjność koksu CRI dla mieszanek skomponowanych wyłącznie z węgli orto-koksowych nie zmieniła się, natomiast dla mieszanek zawierających 25% węgli gazowo-koksowych poprawiła się (zmniejszyła się). Dla obu grup mieszanek zaobserwowano poprawę wytrzymałości poreakcyjnej otrzymanego koksu CSR, przy czym dla koksu z mieszanek zawierających 25% węgli gazowo-koksowych była ona wyraźniejsza. W celu potwierdzenia korzystnego wpływu samego podsuszenia wsadu na jakość produkowanego koksu wykonano dodatkową próbę z wykorzystaniem mieszanki złożonej wyłącznie z węgli orto-koksowych. W próbie tej dla mieszanki wilgotnej (10%) i podsuszonej (4%) zapewniono tę samą gęstość nasypową. Koks uzyskany z mieszanki podsuszonej charakteryzował się niższą reaktywnością CRI (27,4 wobec 29,3 dla mieszanki wilgotnej) oraz wyższą wytrzymałością poreakcyjną CSR (59,2 wobec 55,7 dla mieszanki wilgotnej). Badania te wykazały więc, że korzystny wpływ podsuszania wsadu na jakość produkowanego koksu nie jest wynikiem wyłącznie przyrostu gęstości nasypowej mieszanki. Wykonane dodatkowe próby koksowania mieszanek wilgotnych i podsuszonych, zawierających po 50% węgli gazowo-koksowych i orto-koksowych wykazały jednak, że istnieje

37 graniczna wartość udziału węgli gazowo-koksowych, powyżej której nie obserwuje się już korzyści wynikających z podsuszania wsadu [Karcz A. 2007].

Spośród badań z ostatnich lat na szczególną uwagę zasługują wyniki uzyskane w laboratoriach Nippon Steel Corporation [Nomura S., i in. 2006]. Przeprowadzono tam szereg testów koksowania mieszanek suszonych wstępnie w komorze testowej pod kątem optymalizacji ich składu mającej na celu kompensację nadmiernego ciśnienia rozprężania poprzez zwiększenie udziału węgli o relatywnie słabych własnościach koksotwórczych. Badano ciśnienie rozprężania występujące podczas koksowania 3 grup mieszanek węglowych zawierających odpowiednio: 10, 22 i 35% takich węgli. Badania te wykazały, że możliwe jest stosowanie podgrzanej mieszanki (gwarantującej jej wysoką gęstość nasypową w komorze) przy utrzymaniu ciśnienia rozprężania jak dla mieszanki wilgotnej (o niższej gęstości nasypowej) pod warunkiem zwiększenia udziału węgli semikoksowych.