Doświadczenia przemysłowe w zakresie termicznej preparacji wsadu

Próby przemysłowej aplikacji operacji termicznej preparacji wsadu były prowadzone w dwóch kierunkach, tj. pod kątem oceny możliwości i efektów napełniania komór wsadem podsuszonym oraz napełniania wsadem podgrzanym. Pierwsze wzmianki na ten temat ukazały się w 1921 r. natomiast pierwsze instalacje przemysłowe powstały w latach 60-tych i 70-tych ubiegłego wieku.

Pierwszymi rozwiązaniami przemysłowymi termicznej preparacji wsadu były rozwiązania francuskie. Ich genezą były doświadczenia algierskie związane ze stosowaniem do produkcji koksu bardzo suchego węgla (efekt uwarunkowań klimatycznych), gdzie zmodernizowano szereg urządzeń produkcyjnych adaptując je do pracy z suchą mieszanką. Doświadczenia te zaowocowały budową pierwszej przemysłowej instalacji głębokiego suszenia wsadu w 1960 roku w koksowni w Hagondange we Francji. Instalacja ta została wkomponowana w istniejący klasyczny układ technologiczny baterii zasypowych. Mieszanka węglowa do suszenia kierowana

41 była do dwóch równolegle pracujących suszarek opadowych. Po procesie suszenia temperatura mieszanki wynosiła około 40^oC a jej wilgotność 2 ÷ 4 %. Tak przygotowany wsad pobierany był z wieży węgla do odpowiednio przystosowanego wozu zasypowego i podawany do komór baterii. Efektem zastosowania tej instalacji było całkowite zastąpienie w mieszance węgla typu „hard” (ok. 45 ÷55 %) węglem słabiej zmetamorfizowanym, przy zachowaniu dotychczasowej jakości koksu. Choć nie zaobserwowano skrócenia czasu koksowania to odnotowano jednak wzrost zdolności produkcyjnej baterii [Czaplicki A. 2007], [Diering A. 1971].

W 1971 roku w Zachodnio-Sybirskim Zakładzie Koksowniczym (ZSRR) w oparciu o wyniki badań trzech instalacji doświadczalnych wybudowano i uruchomiono przemysłową instalacja do podsuszania wsadu o wydajności 230 Mg/h. Efektem jej pracy był wzrost zdolności produkcyjnej baterii koksowniczej o 20 % [Czaplicki A. 2007], [Zieliński H., Łojek M. 1978].

W 1968 roku w koksowni Fuhuyama (Japonia) zastosowano częściowe podsuszanie wsadu węglowego dla dwóch baterii koksowniczych o wydajności 7000 Mg/dobę. Obniżenie zawartości wilgoci z 8 % do 4,5 % zwiększyło wydajność baterii o 10 %. Natomiast w koksowni Kasima w 1971 roku zastosowano kombinowany układ suszenia i progresywnego rozdrabniania wsadu dla baterii o zużyciu węgla 5200 Mg/ dobę [Czaplicki A. 2007].

W zakresie rozwiązań procesowych węzłów suszenia i podgrzewania wsadu węglowego w skali przemysłowej zweryfikowano [Czaplicki A. 2007]:

 francusko-amerykańską metodę COALTEK,

 niemiecką metodę PRECARBON,

 brytyjską metodę BCRA (British Carbonization Research Association).

Instalacja podgrzewania wsadu COALTEK została uruchomiona w 1970 roku w koksowni Irontown Coke Plant w USA. Operacje: suszenia, rozdrabniania i podgrzewania węgla prowadzano w jednym urządzeniu, tzw. młynosuszarce. Urządzenie to zasilano mieszanką węglową o uziarnieniu 20 mm, która była rozdrabniana w przegrzewaczu do wymiarów ziaren poniżej 3 mm. Przegrzany węgiel odbierany był w cyklonie wstępnym i w cyklonach końcowych (ze sprawnością 99,5 %) i gromadzony w ślimakowym transporterze zbiorczym. W tym urządzeniu następowało jego olejowanie, co służyło zmniejszeniu emisji pyłu w czasie napełniania komór oraz ograniczało blokowanie się urządzeń załadowczych. Węgiel z przenośnika rozładowywany był do podajników. Opróżnianie podajników i załadunek mieszanki węglowej do komór odbywał się pneumatycznie przy wykorzystaniu przegrzanej pary wodnej. System rurociągowego napełniania pieca koksowniczego całkowicie wyeliminował emisję pyłów przy napełnianiu. Zaobserwowano natomiast znaczne ilości pyłu węglowego unoszonego do odbieralnika w czasie załadunku komór (nawet dziesięciokrotnie wyższe niż dla wsadu wilgotnego) a także brak istotnego wzrostu gęstości nasypowej wsadu w stosunku do wilgotnej mieszanki. Mieszanka węglowa rozkładała się w komorze równomiernie, co było wynikiem zdolności do samopoziomowania się węgla w tym stanie a także występowania zjawiska fluidyzacji wsadu w komorze w wyniku wydzielania się gazów pirolitycznych oraz pary wodnej. Efektem wdrożenia instalacji był wzrost zdolności produkcyjnej baterii wynikający ze skrócenia czasu koksowania, wzrost udziału średnich klas ziarnowych koksu oraz spadek udziału koksiku. Instalacje COALTEK zastosowano w koksowniach: Detroit, East Chicago, Indiana Harbour (USA) oraz Carling (Francja) [Czaplicki A. 2007], [Łojek M. 1975].

Niemiecka metoda PRECARBON została opracowana w latach 1971-1973 w koksowni doświadczalnej EMIL. Zastosowano dwustopniowe urządzenie do suszenia

42 i podgrzewania mieszanki węglowej a do napełniania komór wykorzystano przenośnik zgrzebłowy Radler [Czaplicki A. 2007]. Jedną z instalacji przemysłowych opartą na tej metodzie uruchomiono w październiku 1979 roku w koksowni Muroran (Japonia). Podgrzaną mieszanką napełniano wysokokomorową baterię koksowniczą złożoną z 42 komór typu zasypowego. Mieszanka węglowa była podgrzewana do około 200 ÷ 230^oC, magazynowana w zbiornikach węgla gorącego a następnie w temperaturze 170 ÷ 200oC podawana do komór koksowniczych przenośnikiem zgrzebłowym. Do wsadu dodawano ok. 0,5 ÷ 1 % smoły w celu eliminacji emisji pyłu w trakcie napełniania komory. Uzyskano następujące pozytywne efekty:

 wzrost gęstości nasypowej wsadu do ok. 760 ÷ 770 kg/m3 ,

 wzrost jakości koksu (wytrzymałość koksu z podgrzanej mieszanki zawierającej 20% węgla o słabych własnościach koksotwórczych była wyższa niż koksu wytwarzanego tylko z wilgotnego węgla ortokoksowego (typu hard),

 większą jednorodność wymiarową ziaren koksu,

 wzrost zdolności produkcyjnej baterii o ponad 35 %,

Ponadto nie zaobserwowano formowania się depozytu grafitowego na sklepieniu, ścianach komór oraz w rurach wznośnych jak też nie stwierdzono trudności podczas wypychania koksu z komór. Pogorszyła się natomiast jakość produkowanej smoły koksowniczej - wzrosła zawartość popiołu i części nierozpuszczalnych w benzenie w związku ze zwiększonym unosem pyłu do odbieralnika (zmiany te nie dyskwalifikowały jednak produkowanej smoły pod względem jakościowym). Należy podkreślić, iż zastosowanie operacji podgrzewania wsadu wymagało modernizacji oddziału rozdziału wody amoniakalnej, smoły i osadu poprzez adaptację dekantera oraz zabudowę dodatkowych separatorów odśrodkowych smoły [Suzawa A. i in. 1980].

Metoda brytyjska BCRA została zastosowana początkowo w skali pilotowej w Brookhouse. Wybudowano tam instalację podgrzewania wsadu o wydajności 5 Mg/h mieszanki węglowej, współpracującą z komorą o pojemności 10 Mg. Do instalacji suszenia i podgrzewania wsadu podawany był węgiel o wilgotności ok. 8 %. Proces termicznej preparacji wsadu przebiegał w dwustopniowej suszarce strumieniowej. Na pierwszym stopniu węgiel suszono i podgrzewano do ok. 70 oC. Suchy węgiel po oddzieleniu w cyklonie wstępnym kierowano na drugi stopień suszarki, gdzie w strumieniu gorących spalin (o temperaturze ok. 400 ÷ 500oC) osiągał temperaturę ok. 200^oC. Mieszankę węglową odbierano następnie w cyklonie wstępnym drugiego stopnia i po połączeniu z frakcją pyłową odbieraną w cyklonach końcowego odpylania kierowano do zbiorników magazynowych. Spaliny służące do suszenia wytwarzano w generatorze spalin. Po procesie suszenia odzyskiwano je w bateriach cyklonów (w temperaturze ok. 130 ÷ 150^oC) i w ok. 80 %-ach zawracano do generatora spalin. Zbiorniki magazynowe hermetyzowano azotem. Instalację suszenia uruchamiano przy zawartości tlenu w jej atmosferze poniżej 8 %. Podczas pracy koncentracja tlenu spadała poniżej 4 % w efekcie uszczelniającego działania mieszanki węglowej [Czaplicki A. 2007], [Łojek M. 1975].

Na podstawie opisanych powyżej doświadczeń, w koksowni Brookhouse zbudowano instalację przemysłową o wydajności 65 Mg/h suchej i podgrzanej do 200 ^oC mieszanki węglowej. Służyła ona do zasilania baterii koksowniczej typu CARVES-OTTO złożonej z 25 komór (pojemność ok. 22 m³). Konstrukcja tej instalacji była bardzo zbliżona do wcześniej opisanej instalacji półprzemysłowej, z tym, że temperatura mieszanki po pierwszym stopniu podgrzewacza strumieniowego była nieco wyższa i wynosiła ok. 100oC. Podgrzany węgiel gromadzono w 4 bunkrach. Do napełniania komór wykorzystano zmodernizowany, w pełni zhermetyzowany i zautomatyzowany wóz zasypowy typu Hartung-Kuhn z magnetycznym podnoszeniem

43 pokryw otworów zasypowych. Poza koksownią w Brookhouse, wybudowano jeszcze trzy takie instalacje w Republice Południowej Afryki [Czaplicki A. 2007], [Łojek M. 1975].

Należy wspomnieć, że w instalacji w Brookhouse w maju 1975 roku Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla przeprowadził próby koksowania mieszanki węglowej złożonej z polskich węgli (70 % - typ 35.1; 15 % - typ 35.2 i 15 % - typ 37). Wyniki tych prób przedstawia tabela 5.2.

Tabela 5.2 Parametry procesu oraz wyniki prób koksowania mieszanki polskich węgli w instalacji BCRA w Brookhouse [Łojek M., Kaczmarzyk G. 1975].

Lp. Parametr Wsad wilgotny Wsad podgrzany

1 Temperatura kanałów grzewczych 1260 ^oC 1260 ^oC

2 ^{Temperatura szwu smołowego przed}

wypchnięciem ^{1070 oC 1070 oC}

3 Gęstość nasypowa (w przel. na stan suchy) 667 kg/m³ 817 kg/m³

4 Czas koksowania 15,9 h 12,7 h

Parametry koksu

5 M₄₀ 74,5 74,5

6 M₁₀ 8,3 7,0

Parametry koksu po obróbce mechanicznej odzwierciedlającej wpływ sortowania

7 M₄₀ 81,2 83,0

9 M₁₀ 7,0 6,4

Na podkreślenie zasługuje znaczny wzrost zdolności produkcyjnej komory (o 47%) oraz poprawa parametrów jakościowych koksu. Pozytywne wyniki doprowadziły do następnych badań w Polsce nad termiczną preparacją wsadu. Kolejne takie próby przeprowadzono na przełomie lat 70-tych i 80-tych ubiegłego wieku. Zaowocowały one budową pilotowej instalacji do podsuszania i podgrzewania wsadu w Koksowni Zdzieszowice. Zaprojektowana została ona przez Biuro Projektów „Koksoprojekt” na podstawie doświadczeń ICHPW oraz informacji literaturowych. Instalacja zlokalizowana była na Wieży Węgla nr 4 zasilającej baterie nr 7 i 8 w Koksowni Zdzieszowice. Instalacja miała wydajność ok. 17 Mg wsadu/h. Wyposażona została w dwie suszarki: strumieniową i fluidalną. Próby technologiczne rozpoczęto pod koniec 1979 i prowadzono je w następnym roku, w którym zainstalowano trzeci typ suszarki, tj. suszarkę wirowo-uderzeniową (rysunek 5.4), która okazała się najlepszym rozwiązaniem. Pracowała ona w układzie technologicznym przedstawionym na rysunku 5.5.

44 Rys. 5.4 Schemat suszarki wirowo-uderzeniowej [Jastrzębski J. i in. 1984].

Rys. 5.5 Schemat układu technologicznego instalacji doświadczalnej do podsuszania i podgrzewania wsadu w Koksowni Zdzieszowice [Jastrzębski J. i in. 1984].

1 – zbiornik namiarowy, 2 – dozownik taśmowy, 3 – przewód zasilający, 4 – komora suszarnicza, 5 – przewód, 6 – cyklon rozładowczy, 7 – komin, 8 – zbiornik, 9 – komora spalania

Węgiel ładowany był w sposób ciągły do zbiornika namiarowego 1 (wyposażonego w wagę tensometryczną) i rozładowywany dozownikiem taśmowym 2 o regulowanej szybkości przesuwu taśmy. Strumień węgla opadał grawitacyjnie przesypem do przewodu 3, przez który przepływały gorące spaliny. Po zmieszaniu z nimi rozdzielany był na dwie strugi doprowadzane następnie do komory suszarniczej 4 po jej przeciwległych bokach – rys. 5.4. Zawiesina węgla w spalinach odprowadzana była ze stożkowego dna komory suszarniczej i ukośnym przewodem 5 doprowadzana do cyklonu rozładowczego 6. Spaliny z cyklonu odprowadzane były bezpośrednio do atmosfery kominem 7 a suchy węgiel gromadzono w zbiorniku 8. Gorące spaliny generowane były w komorze spalania 9 o specjalnej konstrukcji umożliwiającej

45 spalanie gazu w szerokim zakresie zmian współczynnika nadmiaru powietrza λ [Jastrzębski J. i in. 1984].

Wyniki tych prób umożliwiły opracowanie w 1985 roku koncepcji przemysłowej instalacji do podsuszania części wsadu przy wykorzystaniu suszarki wirowo-uderzeniowej [Zieliński H. i in. 1985]. Zakładała ona budowę instalacji do podsuszania mieszanki wsadowej kierowanej na baterie systemu zasypowego do końcowej zawartości wilgoci 5÷6%. Autorzy rozważyli 3 warianty wzrostu zdolności produkcyjnej:

 wariant I (minimalny) – zakładał wzrost zdolności produkcyjnej o 3,52% związany wyłącznie z usunięciem wilgoci poza komorą koksowniczą,

 wariant II – zakładał wzrost zdolności produkcyjnej o 6,78% związany z usunięciem wilgoci poza komorą koksowniczą oraz wzrostem gęstości nasypowej w komorze, przy niezmienionych czasach koksowania; rozwiązanie to było połączone z obniżeniem średniej temperatury w kanałach grzewczych o 35o

C,

 wariant III – wzrost zdolności produkcyjnej o 12,3% w wyniku pełnego wykorzystania efektów podsuszania wsadu, czyli: obniżenia zawartości wilgoci, wzrostu gęstości nasypowej mieszanki wsadowej oraz skrócenia czasu koksowania o ca 5%, przy zachowaniu średnich temperatur w kanałach grzewczych.

Niestety, rozpatrywana koncepcja nie została nigdy zrealizowana.

Pomimo udokumentowanego korzystnego wpływu operacji podgrzewania wsadu na jakość koksu i wydajność baterii koksowniczych, trudności eksploatacyjne specyficzne dla tego procesu doprowadziły do rezygnacji z tej technologii. Obserwuje się natomiast rozwój technologii częściowego podsuszania wsadu. Największe sukcesy w tym zakresie notuje Japonia, gdzie w Nippon Steel Corporation oraz Kawasaki Heavy Industries powstały i z powodzeniem są już eksploatowane trzy generacje technologii Coal Moisture Control Process (CMC). Podstawowym założeniem metody CMC jest częściowe tylko usunięcie wilgoci i stabilizacja jej zawartości we wsadzie węglowym. Według [Poultney R., Willmers R. 2000] oraz [Czaplicki A. 2007] takie rozwiązanie wydaje się optymalnym biorąc pod uwagę następujące czynniki:

 wielkość nakładów inwestycyjnych i kosztów eksploatacyjnych,

 dużą elastyczność w zakresie możliwości wkomponowania w istniejący układ technologiczny koksowni,

 niewielki stopień złożoności techniczno-technologicznej instalacji oraz niezawodność pracy i łatwość jej obsługi,

 uzyskiwane efekty ekonomiczne i brak niepożądanych skutków ubocznych.

W instalacjach CMC w sposób kontrolowany usuwa się część wilgoci wsadu wyłącznie w procesie jego suszenia (bez procesu podgrzewania). Krytyczną zawartością wilgoci całkowitej jest poziom ok. 5 %, poniżej którego gwałtownie narastają niepożądane efekty, czyli wzrost ciśnienia rozprężania, duża ilość pyłu unoszonego podczas napełniania komór oraz w początkowej fazie procesu koksowania, pylenie podczas transportu i magazynowania mieszanki oraz gwałtowny wzrost depozytu grafitowego. Istotą technologii CMC jest zatem nie maksymalne usunięcie wilgoci ze wsadu, ale utrzymanie jej zawartości we wsadzie na założonym, optymalnym dla warunków przemysłowych poziomie.

Poszczególne generacje rozwiązań instalacji CMC różnią się głównie źródłami ciepła i suszarkami – tabela 5.3 [Czaplicki A. 2007].

46 Tabela 5.3 Porównanie różnych generacji instalacji CMC [Czaplicki A. 2007].

Pozycja ^Generacja I II III Typ suszarki Suszarka płaszczowo-rurowa (węgiel w przestrzeni międzyrurowej) Pośrednia wymiana ciepła

Suszarka płaszczowo-rurowa (węgiel w rurach) Pośrednia wymiana ciepła

Suszarka fluidalna, Bezpośrednia wymiana

ciepła Źródło ciepła

Ciepło odpadowe z baterii (przy użyciu wymiennika ciepła pomiędzy spalinami a

grzanym medium)

Para (z suchego gaszenia koksu lub z koksowni)

Spaliny z baterii (bezpośrednie użycie spalin) Dodatkowe

źródło ciepła ^{Potrzebne (tylko dla węgli} o wysokiej zaw. wilgoci) ^Niepotrzebne

Potrzebne (tylko dla węgli o wysokiej zaw. wilgoci) Wdrożenie

przemysłowe

- Oita (Japonia) 1983 - Zhong-qing (Chiny) 1996 - Chong Qing, Japonia, 1996

- Kimitsu (Japonia) 1991 - Yawata (Japonia) 1997

- Muroran (Japonia) 1996, - Maanshan, Chiny 2011 Efektywność

ekonomiczna ^{Niska Wysoka} Średnia

W wyniku zastosowania tej technologii podsuszania w koksowni Oita dla wsadu o średniej zawartości wilgoci 9 % osiągnięto następujące korzyści [Wakuri S., Hosokawa K. 1985], [Uchmyłowa G. S. 1991]:

 ograniczenie zużycia ciepła (ok. 26 Mcal/Mg suchego wsadu na każdy procent obniżenia zawartości wilgoci),

 wzrost wytrzymałości koksu,

 spadek udziału koksiku w koksie ogółem (o 2 %),

 sumaryczny wzrost zdolności produkcyjnej o ok. 11 %, (z tytułu wzrostu gęstości nasypowej o 6,9 % a z tytułu skrócenia czasu koksowania o 3,7 %),

Zaobserwowano, że przez pierwszy okres procesu koksowania w komorze (do 3 godzin) unoszenie pyłu jest większe niż dla mieszanki wilgotnej. W szczególności dotyczy to okresu napełniania komór oraz pierwszych 10 minut procesu komorowego. Potem unoszenie pyłu jest porównywalne z mieszanką wilgotną. W porównaniu ze wsadem wilgotnym całkowita ilość depozytu grafitowego wzrasta o 45-75%. Gromadzi się on głównie na sklepieniu komory (przy czym wzrasta jego ilość w kierunku od strony koksowej do strony maszynowej) a także u podstawy rury odciągowej surowego gazu koksowniczego. W przypadku podsuszonego wsadu zaobserwowano znacznie silniejszą zależność pomiędzy ilością depozytu grafitowego a zawartością części lotnych w mieszance niż dla mieszanki wilgotnej. Tłumaczyć to można intensywniejszym przebiegiem reakcji polimeryzacji i wtórnej kondensacji węglowodorów w unoszonej smole w warunkach podwyższonej temperatury podsklepieniowej, charakterystycznej dla procesu koksowania podsuszonego wsadu [Furosawa A. i in. 1998]. Systematyczne czyszczenie rur wznośnych oraz usuwanie depozytu grafitowego podczas operacji wypychania koksu (wypalanie przez nadmuch powietrza i mechaniczne usuwanie zdzierakami na głowicy drąga) pozwala rozwiązać ten problem. Natomiast odnośnie pogorszenia jakości smoły wskazano, że wystarczającym rozwiązaniem będzie podniesienie temperatury dekantacji w dekanterach oraz zwiększenie częstotliwości czyszczenia chłodnic wstępnych. W obszarze biologicznego oczyszczania wody amoniakalnej nie stwierdzono negatywnych zmian [Wakuri S., Hosokawa K. 1985].

Z doświadczenia eksploatacyjnego instalacji CMC w Nippon Steel Corporation wynika, że 99% ziaren przedostających się do rur wznośnych w czasie napełniania komór ma wymiar poniżej 0,3 mm. Opracowano więc technologię polegającą

47 na separacji drobnej frakcji z suchej nadawy węglowej, jej aglomeracji i ponownym mieszaniu z węglem nadawy. Nazwano ją technologią suchego wzbogacania i aglomeracji DAPS (Dry-Cleaned and Agglomerated Precompaction System). Pozwala ona na obniżenie zawartości wilgoci w do 2% [Czaplicki A. 2007], [Czaplicki A. 2012]. Pozytywne efekty połączenia technologii CMC i DAPS skłoniły Nippon Steel Corporation do opracowania wytycznych techniczno-technologicznych dla koksowni XXI wieku o nazwie SCOPE 21 [Sugiyama I. i in. 2005], [Czaplicki A. 2007], [Czaplicki A. 2012]. Do jej zalet zaliczyć należy:

a) aspekt proekologiczny (redukcja emisji NOx o 30%, emisji SOx o 10% oraz wyeliminowanie emisji pyłowo-gazowej),

b) oszczędność energii (obniżenie zużycia energii o 20% a w konsekwencji także podobne obniżenie emisji CO2),

c) efektywne wykorzystanie bazy węglowej (zwiększenie udziału w mieszance węgli słabospiekających i niespiekających nawet do 50%),

d) wzrost wydajności (zakłada się trzykrotny wzrost wydajności) oraz zmniejszenie gabarytów urządzeń (co oznacza niższe koszty inwestycyjne).

Pomimo znacznych nakładów na rozwój tej koncepcji nie została ona rozwinięta do poziomu umożliwiającego jej przemysłowa aplikację.