Trendy rozwoju operacji ubijania wsadu

Rozwój baterii pracujących w systemie wsadu ubijanego ukierunkowany jest obecnie przede wszystkim na podniesienie produktywności, optymalizację procesu przygotowania wytrzymałego naboju węglowego oraz ograniczenie szkodliwego wpływu eksploatacji baterii na środowisko. Jak już wspomniano, pierwszą wielkokomorową baterią wsadu ubijanego była bateria B1 w Dillingen, oddana do eksploatacji w 1984 r. Bateria ta zrewolucjonizowała ówczesne podejście do projektowania udowadniając, że dzięki automatyzacji operacji ubijania, oraz wzrostowi gęstości wsadu do wartości ponad 1100 kg/m3

(w stanie roboczym) możliwe jest w praktyce przemysłowej osiągnięcie stosunku szerokości do wysokości naboju węglowego ok. 1:13. Wprowadzono do praktyki przemysłowej szereg innowacyjnych rozwiązań takich jak: wóz stropowy służący do odbioru gazów obsadowych (CGC – ang. Charging Gas Cleaning Car), odpylanie strony koksowej czy nowy system zasilania baterii mieszanką węglową. Poruszający się po stropie baterii wóz odbiera powstające gazy obsadowe i po doprowadzeniu powietrza dopala je. Po oczyszczeniu i schłodzeniu gazy wprowadzane są do odbieralnika [Gross i in. 1987].

W Koksowni Dillingen po raz pierwszy zastosowano system przenośników taśmowych dostarczających mieszankę węglową bezpośrednio do wsadnic, całkowicie rezygnując z wieży węglowej. W pełni zautomatyzowany system dostarczania mieszanki pozwala na załadunek zbiorników wsadnicy na całej długości baterii przy pomocy ciągu przenośników taśmowych, dzięki czemu uzyskano oszczędność czasu, który w klasycznym systemie potrzebny jest na przejazd maszyny pod wieżę węglową. Aktualnie w tej koksowni koks produkowany jest w dwóch bateriach: całkowicie nowej baterii B3 oddanej do użytku w 2010 r. oraz baterii B1 po generalnym remoncie w 2012 r. Obie jednostki o łącznej zdolności produkcyjnej 1,3 mln Mg koksu rocznie, są

najnowocześniejszymi bateriami systemu ubijanego na świecie, wyposażonymi w najbardziej zaawansowane narzędzia służące kontroli i sterowaniu procesem koksowania oraz ograniczające szkodliwy wpływ eksploatacji baterii na środowisko [Loddo i in. 2011]. Podstawowe parametry baterii w Dillingen podano w tabeli 3.1. W obu bateriach zainstalowano system regulacji ciśnienia w komorze koksowniczej SOPRECO opracowany przez firmę Paul Würth znacząco ograniczający emisję gazów obsadowych do atmosfery i całkowicie eliminujący emisję gazu surowego przez drzwi piecowe w trakcie procesu koksowania [Loddo i in. 2011].

Tab.3.1 Podstawowe parametry techniczne wybranych baterii koksowniczych pracujących w systemie wsadu ubijanego

Parametry komory koksowniczej (w stanie gorącym)

Koksownia Dillingen Jihua Alczewsk¹ Radlin Częstochowa Nowa Bat. nr 1 Bat. nr 4 Długość, m 16,2 17,22 15,9 16,12 13,35 13,35 Wysokość, m 6,25 6,25 5,0 5,07 4,36 4,36 Średnia szerokość, m ^{0,50 0,54 0,49/0,50 2 0,488 0,45 0,56} Zbieżność komór, m ^{0,02 0,04 0,02 0,04 0,02 0,02} Czas koksowania, h ^{21 24,5 24 25,5 20} 28÷36

Parametry naboju węglowego Długość, m - u podstawy - na szczycie 16,15 b.d 16,25 16,1 15,03 14,88/14,93² 14,98 b.d 12,26 12,16 12,26 12,16 Szerokość, m 0,45 0,47 0,45 0,45 0,415 0,51 Wysokość, m 6,0 6,0 4,88/4,75 ² 4,75 4,05 4,05 Objętość, m3 43,6 45,6 31,5/32,02 ² 32,18 20,5 25,2 Masa, Mg 49 50,17 36,7/37,5 ² 36,1 ok. 22,5 24,7 Gęstość w st. roboczym, kg/m³

> 1100 > 1100 > 1130 ok.1100 ok. 1085 ok.1100 Zaw. wilgoci,

% ^{10÷11 10 12÷13 9,5÷10,5 9÷10 9÷11}

1

- w st. zimnym, ²- dane dla baterii 10-bis,

W 1993 roku w ukraińskich zakładach koksowniczych Alchevskkoks w Alczewsku oddano do użytku pierwszą w tym rejonie Europy wielkokomorową baterię systemu ubijanego o wysokości komór 5 m (w stanie zimnym). Bateria nr 9-bis o łącznej zdolności produkcyjnej 900 tys. Mg koksu/rok została zaprojektowana przez ukraińskie

biuro projektowe Giprokoks i wybudowana na miejscu przestarzałych, wyłączonych z ruchu i zdemontowanych baterii nr 9 i 10. Bateria składa się z dwóch bloków (39 i 61 komorowych), opalana jest gazem koksowniczym z bocznym jego doprowadzeniem i jest obsługiwana dwoma zestawami maszyn konstrukcji Saarberg-Interplan (jeden w użyciu, drugi rezerwowy) [Gural i in. 2005]. Bateria jest wyposażona w jeden odbieralnik gazu surowego zlokalizowany po stronie koksowej, instalacje: oczyszczania gazu oraz bezpyłowego wypychania koksu. Ponadto zastosowano system mokrego gaszenia koksu w wieży typu „converging-diverging”, w znacznym stopniu ograniczający emisje pary i koksiku do atmosfery. Charakterystyka podstawowych parametrów komór koksowniczych tej baterii została przedstawiona w tabeli 3.1.

Po ponad 10-cio letniej eksploatacji baterii nr 9-bis, w sytuacji wzrastającego popytu na koks i zmniejszonej podaży węgli o najlepszych właściwościach koksotwórczych zdecydowano się na budowę kolejnej baterii koksowniczej pracującej w systemie ubijanym. Oddana do eksploatacji w październiku 2006 roku bateria koksownicza nr 10-bis o zdolności produkcyjnej ok. 1 mln Mg koksu /rok powstała w miejscu wyłączonych z eksploatacji baterii 11 i 12. Podstawowe parametry konstrukcyjne tej baterii w zasadzie nie różnią się od baterii nr 9-bis. Zwiększono jedynie szerokość komory koksowniczej z 0,49 do 0,50 m i usprawniono systemy ograniczenia emisji szkodliwych substancji do otoczenia. Wprowadzono system odciągu gazów obsadowych, który jest oparty na dwóch odbieralnikach gazu surowego i systemie hydroinżekcji. Pozwoliło to na ograniczenie emisji podczas wprowadzania naboju o 90 ÷ 95%. Bateria została podzielona na dwa bloki (52 i 61 komory). Jest to jedyna na świecie bateria systemu ubijanego współpracująca z instalacją suchego chłodzenia koksu (CDQ – ang. Coke Dry Quenching) [Gural i in. 2009]. Układ suchego chłodzenia koksu składający się z trzech komór (każda o zdolności chłodzenia ok. 70 Mg koksu/godzinę) został oddany do użytku w 2007 roku i produkuje parę o ciśnieniu 4,0 MPa i temperaturze 440°C w ilości ok. 48 ÷ 50 Mg/godzinę. Dzięki zastosowaniu technologii CDQ uzyskano dodatkową poprawę parametrów jakościowych otrzymywanego koksu. Zastosowanie systemu ubijanego pozwoliło na znaczne poszerzenie palety węgli wchodzących w skład mieszanki wsadowej. Dla systemu zasypowego i ubijanego węgle o słabszych właściwościach koksotwórczych i węgle gazowe stanowią odpowiednio: 34,3 i 65,7%, a bardzo dobre węgle koksowe odpowiednio: 66,1 i 33,9% składu mieszanki [Rudyka i in. 2009].

Doświadczenia ukraińskie skłoniły Kombinat Koksochemiczny w Zabrzu do budowy wielkokomorowej baterii systemu ubijanego. W 2008 roku w Koksowni Radlin w miejscu wyłączonej z eksploatacji baterii typu PTU57 została uruchomiona pierwsza w Polsce wielkokomorowa bateria typu PWR o wysokości komór 5 m i zdolności produkcyjnej 750 tys. Mg koksu/rok ze stacjonarnym ubijaniem wsadu węglowego [Szafraniec 2011, Kravchenko i in. 2009]. Konstrukcja baterii nr 1-bis jest analogiczna do baterii pracujących w Alczewsku. Bateria opalana jest gazem koksowniczym (z dolnym jego doprowadzeniem) i składa się z dwóch bloków, z których każdy liczy 43 komory. Do odbioru gazu surowego wykorzystywany jest układ dwóch odbieralników wyposażonych w pneumatyczne uszczelnienia rur wznośnych. Obsadzanie komór koksowniczych realizowane jest przez dwie wsadnico-wypycharki pozwalające na wykonanie 81 cykli obsadowych na dobę. Instalacja stacjonarnego ubijania wsadu została wykonana przez konsorcjum Koksoprojekt/Vecon i składa się z dwóch zespołów zlokalizowanych po obu stronach centralnie położonej wieży węglowej. Każdy zespół posiada 30 ubijaków (5 ubijarek 6-cio ubijakowych). Bateria wyposażona jest w najnowsze rozwiązania ograniczające emisję szkodliwych substancji do otoczenia. Podczas operacji obsadzania komory stosowana jest ramka doszczelniająca usprawniająca odciąg gazów obsadowych. Po stronie koksowej zlokalizowana jest instalacja odpylania, składająca się z kaptura odciągowego zamontowanego na wozie przelotowym i stacji odpylającej. Produkowany w baterii koks jest chłodzony wodą w wieży gaszenia z wypełnieniem komórkowym, wyposażonej w dwukomorowy, zmechanizowany osadnik koksiku. Podstawowe parametry wybranych baterii systemu ubijanego zostały przedstawione w tabeli 3.1.

Wysokość komory koksowniczej zwiększono również w oddanej do eksploatacji w 2011 r. w Koksowni Częstochowa Nowa Sp. z o.o baterii nr 1 systemu wsadu ubijanego typu PWR (57 komór) z bocznym doprowadzeniem gazu opałowego (rys. 3.4). Bateria ta o zdolności produkcyjnej ok. 415 tys. Mg koksu/rok w porównaniu do poprzedniczki ma zwiększoną wysokość komór z 3,75 do 4,3 m (w stanie zimnym). Jest wyposażona w jeden odbieralnik gazu surowego umiejscowiony po stronie maszynowej. Zastosowano w niej szereg nowoczesnych rozwiązań techniczno-technologicznych m.in. regulację ciśnienia w komorze koksowniczej i indywidualnie regulowaną przerwę w opalaniu dla poszczególnych ścian grzewczych [Wenecki 2011]. Regulacja ciśnienia w każdej komorze koksowniczej odbywa się za pomocą klapy umieszczonej w rurze wznośnej. Praca klapy umożliwia zmianę przepływu gazu

surowego, a tym samym wpływa na wartość ciśnienia w komorze koksowniczej. Algorytm sterujący pracą wykorzystuje dane na temat właściwości stosowanej mieszanki węglowej, aktualnego czasu koksowania itp. Do obsługi komór piecowych wykorzystywana jest wsadnico-wypycharka (SCP) z ramką doszczelniającą, wóz stropowy z systemem przerzutu gazów obsadowych oraz wóz przelotowy ze zintegrowanym systemem odpylania strony koksowej. Przygotowanie naboju węglowego o gęstości ok. 1100 kg/m3

(st. roboczy) odbywa się za pomocą zestawu 16 ubijaków (4 przesuwne ubijarki po 4 ubijaki).

Rys. 3.4. Widok baterii nr 1 w Koksowni Częstochowa Nowa

XXI wiek to okres intensywnego rozwoju technologii wsadu ubijanego w koksownictwie chińskim, będącym największym producentem koksu w świecie [Ściążko i Karcz 2011; Meng i Wang 2012; Madias i Cordova 2014; Guangua i in. 2011; Fiedler i Dahai 2013]. Począwszy od 2000 r. chińskie koksownictwo uruchomiło baterie systemu ubijanego o łącznej mocy produkcyjnej przekraczającej 100 mln Mg koksu rocznie [Madias i Cordova 2014]. Postęp w zakresie zwiększania wymiarów komór koksowniczych determinowany jest przez przepisy, które od 2009 roku wymuszają budowę baterii systemu ubijanego o wysokości komór min. 5,5 m i objętości min. 35 m³.

W 2008 roku w koksowni Jihua oddano do użytku największą na świecie baterię systemu ubijanego o wysokości komór 6,25 m, zaprojektowaną przez biuro projektowe ACRE. Bateria o zdolności produkcyjnej ok. 2,2÷2,4 mln Mg koksu rocznie (dane szacunkowe) składa się z czterech bloków liczących łącznie 184 (4 x 46) komór koksowniczych [Fiedler i Dahai 2013]. Baterię obsługują 3 wsadnice SCP (z czego

1 w rezerwie), każda zdolna do wykonania ok. 120 operacji na dobę. Zasilane są one mieszanką wsadową za pomocą systemu przenośników taśmowych (brak wieży węglowej). W 2010 r. również w Chinach uruchomiono największą na świecie baterię koksowniczą stosującą stacjonarny system ubijania wsadu o wysokości komór 6 m (w stanie gorącym) [Guanghua i in. 2011].

Oprócz krajów europejskich i Chin system ubijany w ostatnim trzydziestoleciu rozwinął się także w Indiach [Madias i Cordova 2014; Chateerje 2001; Kuyumcu i Abel 2011; Veit i in. 2011]. W latach osiemdziesiątych prowadzono tam intensywne badania technologiczne w celu optymalizacji bazy surowcowej przemysłu koksowniczego obejmujące rozdrabnianie selektywne, wstępne podgrzewanie, częściowe brykietowanie i ubijanie wsadu [Chateerje 2001]. Najlepsze rezultaty w zakresie przyrostu gęstości wsadu i obniżenia wskaźnika ścieralności koksu uzyskano dla ubijania wsadu. W 1982 roku nawiązano kontakt z firmą Saarberg–Interplan, która przeprowadziła w laboratorium koksowni Fürstenhausen testy przydatności węgli stosowanych w tym czasie w koksowni Tata Steel zarówno dla systemu zasypowego jak i ubijanego. Wyniki tych badań wypadły pomyślnie dla systemu ubijanego co w konsekwencji spowodowało, że koncern Tata Steel podjął prace nad wdrożeniem tej technologii w Indiach. Ostatecznie zaadaptowano technologię firmy Saarberg-Interplan, a pierwszy koks z baterii zasilanej wsadem ubijanym został wypchnięty 31 grudnia 1988 roku. Od tego czasu koncern Tata sukcesywnie zastępował w swoich koksowniach baterie systemu zasypowego bateriami pracującymi w systemie wsadu ubijanego. Z kolei w koksowni Jamshedpur w 2000 r. wyprodukowano łącznie 2,3 mln Mg koksu, z czego aż 2 mln Mg przypadało na system ubijany. W dniu dzisiejszym w koksowni Jamshedpur pracuje 5 baterii wsadu ubijanego o wysokości komór 4,57 m, szerokości 0,45 m i długości 13,76 m (w stanie gorącym) i 1 bateria systemu zasypowego.

Oprócz klasycznej technologii koksowania, operacja ubijania wsadu jest obecnie stosowana w Chinach i Indiach także w koksowniczych bateriach dwuproduktowych typu „Heat-recovery” - rys. 3.5 [Kuyumcu i Abel 2011]. Tego typu rozwiązanie wykorzystuje uwalniający się w trakcie pirolizy węgla surowy gaz koksowniczy zarówno do ogrzewania wsadu, jak i do produkcji energii elektrycznej [Ściążko i Karcz 2011]. Surowy gaz spalany jest bezpośrednio (bezprzeponowo) nad wsadem węglowym, dzięki powietrzu dostarczonemu poprzez specjalne kanały znajdujące się w drzwiach piecowych. Częściowo spalony gaz wędruje poprzez kanały w ścianach bocznych do kanałów podtokowych, gdzie jest dopalany powietrzem wtórnym.

Wytworzone ciepło przekazywane jest przeponowo do wsadu węglowego. Powstałe spaliny kierowane są do bloku kogeneracji gdzie wytwarzana jest energia elektryczna i ciepło. Cały układ grzewczy łącznie z przestrzenią komór pracuje w warunkach podciśnienia, co eliminuje szkodliwą emisję zarówno przy obsadzaniu jak i podczas całego procesu koksowania wsadu węglowego. W Indiach pracuje kilka tego typu baterii koksowniczych, bazujących głównie na technologii zagęszczania firmy Vecon. Przykładem jest koksownia Sesa Goa gdzie formowanie poziomego naboju węglowego odbywa się za pomocą instalacji wibracyjnego zagęszczania a uzyskiwana gęstość wsadu w stanie roboczym wynosi ok. 1140 kg/m³ [www. sesa…].

Rys.3.5. Bateria koksownicza typu „Heat-recovery” na wsad ubijany [Kuyumcu i Abel 2011]

Innym przykładem instalacji dwuproduktowej jest bateria w indyjskiej koksowni należącej do koncernu Tata Steel w Haldia [Biswas i in. 2011]. Bateria ta została oddana do eksploatacji w 2007 roku i produkuje rocznie ok. 1,6 mln Mg koksu. Roczna zdolność produkcyjna energii elektrycznej wynosi 960 GWh. Zagęszczanie wsadu węglowego w tej koksowni odbywa się metodą prasowania hydraulicznego, a gęstość wsadu kształtuje się na poziomie 1050 ÷ 1100 kg/m3

(st. roboczy). Przemysłowe zastosowanie znalazły także konstrukcje chińskiego biura projektowego MEPC zarówno o poziomej jak i pionowej orientacji ubitego wsadu węglowego [Ściążko i Karcz 2011; www.mepc…].

Obserwowany na tym polu rozwój technologiczny w okresie ostatnich lat tj. automatyzacja procesu ubijania, zastosowanie ubijarek wieloubijakowych oraz operacji ciągłego nawęglania skrzyni nabojowej, w znacznym stopniu przyczynił się do skrócenia czasu ubijania oraz poprawy parametrów wytrzymałościowych naboju węglowego, umożliwiając tym samym stosowanie systemu ubijanego także w bateriach wielkokomorowych. Dynamika produkcji, szczególnie w okresie wysokiej koniunktury i związane z nią ciągłe zmiany receptur stosowanych mieszanek (węgle o różnych właściwościach fizykochemicznych) sprawiają, że problem destrukcji ubitego wsadu węglowego podczas procesu załadunku komór koksowniczych, powodujący poważne perturbacje eksploatacyjne nie został jednak całkowicie wyeliminowany i nadal wymaga prowadzenia odpowiednich badań.