Co nowego w chińskim koksownictwie

Transkrypt

1 216 karbo '2012 Nr 4 LUDWIK KOSYRCZYK *) Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, Zabrze BOGDAN ŚWIEBODA BP Koksoprojekt Sp. z o.o., Zabrze LESZEK LEWANDOWSKI Koksownia Przyjaźń Sp. z o.o., Dąbrowa Górnicza Co nowego w chińskim koksownictwie What is new in Chinese cokemaking Słowa kluczowe: turbina zasilana gazem koksowniczym, technologia produkcji koksu bez odzysku węglopochodnych, monitorowanie procesu technologicznego za pomocą kamer przemysłowych Keywords: coke-oven gas powered turbine, non-recovery cokemaking technology, technical process monitoring by industrial cameras Wprowadzenie Od wielu lat wśród producentów koksu toczy się dyskusja o przyszłości i kształcie koksownictwa. Zmienny popyt na koks i inne produkty koksowania, rosnące koszty budowy i eksploatacji koksowni, coraz trudniejsze do spełnienia ekologiczne wymogi prowadzenia produkcji, kurczące się zasoby węgla o wymaganych parametrach rodzą wiele różnego rodzaju pytań. Czy jest np.: sens inwestować w budowę nowych lub remonty istniejących jednostek produkcyjnych, jak powinny wyglądać nowe baterie koksownicze, w co powinny być one zaopatrzone i w oparciu o jaką technologię pracować, co robić z nadmiarem gazu, smoły, benzolu i innych produktów koksowania, w jaki sposób sprostać współczesnym wymaganiom ekologicznym itd. Szukając odpowiedzi na te pytania, delegacja polskich koksowników udała się do Chin, największego obecnie producenta koksu na świecie. Przeprowadzono rozmowy w jednym z największych chińskich biur projektowych Metallurgical Engineering & Projekt Corporation MEPC, gdzie zapoznano się szczegółowo z projektami budowy baterii pracujących w technologii bez odzysku węglopochodnych, zwiedzono zakład pracujący w tej technologii z pionowymi komorami koksowniczymi oraz koksownię pracującą w klasycznej technologii koksowania z zamontowaną turbiną na gaz koksowniczy. Szczególną uwagę, ze względu na prowadzone w ramach projektu Inteligentna Koksownia spełniająca wymagania najlepszej dostępnej techniki badania, poświęcono stosowanej w tej koksowni technologii głębokiego oczyszczania gazu koksowniczego. Choć nie sposób podczas takiej wizyty uzyskać jednoznacznej odpowiedzi na wszystkie postawione pytania, to jednak uzyskane informacje stanowią poważny wkład w treść toczonych obecnie dyskusji i analiz. Rozwój klasycznej technologii koksowania w Liyuan Coking Plant Koksownia w Liyuan została uruchomiona w 2010 r. jako zakład dwubateryjny o zdolności produkcyjnej 1,1 mln ton koksu/rok, stosujący klasyczną technologię koksowania, z odzyskiem i przerobem węglopochodnych. Mimo podobnych jak w Polsce ograniczeń produkcyjnych, wywołanych kryzysem światowym, w dalszym ciągu inwestuje w swój rozwój. Baterie koksownicze, o wysokości komór 5,5 m, przystosowane do załadunku komór w systemie wsadu ubijanego i opalane gazem koksowniczym, robią wrażenie technologicznie zadbanych i nieodbiegających swym standardem od najlepszych jednostek produkcyjnych pracujących na świecie (rys. 1). Koksownia zaopatrzona jest w system monitorowania emisji zanieczyszczeń z opalania baterii, w wieżę gaszenia z dwoma warstwami wypełnienia komórkowego oraz w biologiczną oczyszczalnię ścieków. Wśród jej standardowych rozwiązań technicznych, na uwagę zasługuje stacjonarne ubijanie wsadu węglowego. Ogranicza ono bowiem, według oświadczeń użytkownika, w istotny sposób proces degradacji zarówno konstrukcji wsadnicy, jak i jej torowiska. Przy czym dla zabezpieczenia wykonania zadanego cyklogramu obsługi komór przewidziano i zastosowano na tej koksowni po dwa komplety oddzielnie wypycharek i oddzielnie wsadnic. Zainstalowano również ciągły monitoring pracy poszczególnych obiektów koksowni za pomocą kamer przemysłowych (rys. 2). Pozwala on bowiem na prawie natychmiastową reakcję dyspozytora koksowni na wszelkiego rodzaju nieprawidłowości i awarie w pracy, i obsłudze jej poszczególnych agregatów i urządzeń. Dla polskiej delegacji najbardziej interesujące było wykorzystanie produkowanego gazu koksowniczego do produkcji *) Autor do korespondencji: Dr inż. Ludwik Kosyrczyk Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, ul. Zamkowa 1, Zabrze, office@ichpw.zabrze.pl

2 Nr 4 karbo ' Rys. 1. Widok baterii koksowniczej pracującej w Koksowni Liyuan Fig. 1. View of the coke oven battery operating in Liyuan coke plant Rys. 2. Przykłady ciągłego monitoringu pracy i obsługi poszczególnych obiektów Koksowni Liyuan za pomocą kamer przemysłowych Fig. 2. Industrial cameras views which presents individual locations in Liyuan coke plant

3 218 karbo '2012 Nr 4 energii elektrycznej w zespole turbiny GE Energy. Wdrożenie tej technologii umożliwiło nie tylko pełne kogeneracyjne zagospodarowanie produkowanego gazu koksowniczego, ale równocześnie konieczny rozwój technologii jego odsiarczania oraz komputerowych systemów nadzoru i sterowania. Również, przede wszystkim ze względu na turbinę, w zakładzie został wybudowany suchy zbiornik gazu o pojemności m 3 z ruchomym tłokiem. Zbiornik ten w dostatecznym stopniu stabilizuje nie tylko ciśnienie gazu podawanego na zespół turbiny, ale również opalanie obu baterii koksowniczych, całkowicie niwelując wpływ stosowanych przerw w opalaniu w czasie każdej z rewersji. Efektywne wykorzystanie gazu koksowniczego do produkcji energii elektrycznej w zespole turbiny GE Energy W koksowni Liyuan od dwóch lat pracuje opracowana i zbudowana przez GE Energy instalacja głębokiego odsiarczania gazu koksowniczego i jego kogeneracyjnego wykorzystania do produkcji energii elektrycznej w zespole turbin (układ turbiny gazowej i parowej). Produkowany w tej koksowni gaz surowy po przejściu przez klasyczny układ oczyszczania węglopochodnych, z amoniakalną metodą jego odsiarczania, doczyszczany jest w kolumnach absorpcyjnych, wypełnionych węglem aktywnym i rudą darniową. Dla utrzymania odpowiedniej sprawności odsiarczania ich wkład jest systematycznie, co cztery miesiące, wymieniany i regenerowany. Prawidłowo eksploatowany układ takich kolumn gwarantuje, jak zapewnia ich użytkownik, odsiarczenie gazu koksowniczego do poziomu poniżej 20 mg H 2 S/m 3 n. Oczyszczony gaz jest następnie sprężany w sprężarkach tłokowych do ciśnienia ok. 3,5 3,9 MPa, schładzany w celu wytrącenia naftalenu, filtrowany w celu wytrącenia części stałych i ponownie, przed podaniem na turbinę gazową, podgrzewany do temperatury ok. 100 C. Bezpośrednio przed turbiną, dla ograniczenia emisji tlenków azotu, do gazu wstrzykiwana jest para wodna. Sam blok energetyczny składa się z (rys. 3): turbiny gazowej LM 2500, kotła odzysknicowego, turbiny parowej, chłodni. Turbina gazowa, spalając niespełna m 3 n /h gazu koksowniczego o kaloryczności 17,5 MJ/m 3 n, zdolna jest wytworzyć 26 MW energii elektrycznej o napięciu 10,5 kv (sprawność rzędu 37 %). Kolejna turbina, kondensacyjno- -upustowa, zasilana parą 3,22 MPa produkowaną w kotle odzysknicowym, wytwarza dodatkowo ok. 12 MW energii elektrycznej. Tym samym sprawność całego, tak zbudowanego bloku energetycznego, wzrasta do ponad 54 %. Według zapewnień użytkownika, zarówno instalacja głębokiego odsiarczania gazu, jak i zespół turbin pracują póki co bezawaryjnie, a uzyskana w ten sposób energia elektryczna jest w przeważającej części (50 60 %) sprzedawana. Praca bloku energetycznego, ze szczególnym uwzględnieniem turbiny gazowej, jest stale nadzorowana przez komputerowy system monitoringu (rys. 4). System ten na bieżąco kontroluje i reguluje wszystkie parametry pracy instalacji, zapewniając w ten sposób pełne bezpieczeństwo jej eksploatacji. Technologia koksowania węgla bez odzysku węglopochodnych Technologia koksowania bez odzysku węglopochodnych, choć technologicznie sięgająca początków koksownictwa, w obecnych czasach przeżywa swój renesans. Podyktowane jest to zarówno stosunkowo niskimi kosztami inwestycji Awaryjny zrzut spalin Para wodna 3,22 MPa Rys. 3. Schemat bloku energetycznego w kogeneracyjnym układzie turbin wg [1] Fig. 3. Scheme of power unit with turbines co-generation system

4 Nr 4 karbo ' Rys. 4. Przykładowy ekran komputerowego monitorowania pracy bloku energetycznego w zespole turbin GE Energy Fig. 4. Screen example from computer monitoring system showing the monitoring of the power unit in GE Energy turbines unit i eksploatacji zakładu pracującego według tej technologii, jak i możliwościami poważnego ograniczenia niezorganizowanej emisji zanieczyszczeń do otoczenia z tytułu eksploatacji pracujących w niej baterii koksowniczych. Projektowaniem współczesnych konstrukcji tego typu baterii zajęło się w Chinach prywatne Biuro Projektów Metallurgical Engineering & Projekt Corporation MEPC. Według jego projektu zostały wybudowane w koncernie TATA (Indie) cztery bloki takich baterii z poziomymi komorami pracującymi w ubijanym systemie ich załadunku, o wydajności 400 tys. ton koksu/ rok każdy. Szczególne jednak zainteresowanie wzbudza projekt baterii pracujących bez odzysku węglopochodnych z pionowymi komorami. Oprócz bowiem tych samych zalet co bateria z poziomymi komorami, ogranicza on dodatkowo w stosunku do niej powierzchnię zabudowy (prawie o połowę przy tej samej wielkości produkcji), zgodnie z danymi MEPC koszt jej budowy (o ok. 30 %) oraz upał koksu (z 3 5 % do poziomu 0,5 1 %). Większa jest również planowana trwałość wymurówki tych baterii (ok. 20 lat w stosunku do 15 lat w przypadku baterii z poziomymi komorami). Standardowo MEPC w swej ofercie posiada baterię o wymiarach komór 12670x560x4400 mm (długość, szerokość, wysokość), przystosowaną do załadunku komór wsadem ubijanym. W Chinach pracuje już 12 koksowni z takimi bateriami (tabl. 1). Chińskie koksownie pracujące w technologii bez odzysku węglopochodnych z bateriami o pionowych komorach Chinese coke plants using non-recovery system with vertical coke ovens T a b l i c a 1 T a b l e 1 Nr Koksownia Zdolność produkcyjna Mg/rok Rok uruchomienia 1 Pingyao Fengyan Group Coking Co., Shanxi Changzhi Luan Coking Plant, Shanxi Zhengfengyuan Coking Ltd., Tianjin Changzhi Huizhi Coking Plant, Shanxi Shanxi Changzhi Coking Corp., Shanxi Lucheng Lufeng Coking Plant, Shanxi Changzhi Luan Coal Mining Group, Shanxi Pingyao Fengyan Group Coking Co., Shanxi Weishanhu Coal Mining Group, Shandong Zaozhuang Fenglian Coking & Power Plant, Shandong Pingyao Xinghua Coking Plant, Shanxi Wangzhuangcoal Industries Ltd

5 220 karbo '2012 Nr 4 Bateria pieców z pionowymi komorami pracująca w tej technologii z zewnątrz niewiele różni się od typowych, pracujących chociażby w Polsce, baterii koksowniczych (rys. 5). Nie posiada ona jednak regeneratorów, osprzętu grzewczego i odbieralnikowego, a wytwarzane w jej komorach lotne produkty koksowania są w całości odciągane do kanałów grzewczych. Tam, ulegając częściowemu spalaniu w obecności powietrza zaciąganego ze stropu poprzez regulowane wloty wzierników, ogrzewają przeponowo umieszczony w komorach wsad węglowy. Mieszanina spalin i niespalonych lotnych produktów koksowania jest następnie kierowana do kanałów podtokowych, umieszczonych pod komorami, gdzie w obecności zaciąganego wzdłuż przyczółków powietrza ulega całkowitemu spaleniu, a następnie jest odciągana wentylatorem do jednostki energetycznej lub awaryjnie do komina (rys. 6). Koksownia oparta na tej technologii nie posiada więc oddziału przerobu węglopochodnych, a całość lotnych produktów koksowania jest spalanych w baterii. Ciepło zawarte w gorących spalinach (ich temperatura na wylocie z baterii wynosi ok. 750 C) jest natomiast wykorzystywana do produkcji wysokoprężnej pary w kotle odzysknicowym, a następnie energii elektrycznej w zespole turbogeneratorów. Koksownia o zdolności produkcyjnej 500 tys. Mg koksu/rok zdolna jest wyprodukować w ten sposób według MEPC ok. 30 MW energii elektrycznej. Ponieważ komory koksownicze tej baterii pracują zawsze na podciśnieniu, nie odnotowuje się na niej praktycznie żadnej emisji zanieczyszczeń. Jedynym źródłem emisji zanieczyszczeń na tej baterii pozostaje przede wszystkim proces wypychania koksu z komór i jego gaszenia (stosowane jest mokre gaszenie koksu) oraz oczywiście sam proces spalania lotnych produktów koksowania. W celu ograniczenia emisji zanieczyszczeń z procesu spalania lotnych produktów koksowania, spaliny po przejściu przez kocioł są odpylane i odsiarczane typową dla energetyki mokrą wapienną metodą w wieży absorpcyjnej. Jak wynika z danych wizytowanej Koksowni Zaozhuang emisja pyłu, po przejściu przez instalację odpylania i odsiarczania spalin, nie przekracza 30 mg/m 3 spalin, a emisja ditlenku siarki 85 mg/m 3 spalin. Podsumowanie W oparciu o przeprowadzone w Chinach rozmowy i obserwacje poczynione przez delegację polskich koksowników można stwierdzić, że: Chiny w coraz większym stopniu przejmują rolę już nie tylko głównego światowego producenta koksu, ale również twórcy i dysponenta nowych technik i technologii koksowania oraz przeróbki i wykorzystania węglopochodnych, Rys. 5. Widok baterii z pionowymi komorami pracującej w technologii bez odzysku węglopochodnych Fig. 5. View of non-recovery coke oven battery with vertical coke ovens

6 Nr 4 karbo ' Kanały grzewcze Kanały podtokowe Wsad węglowy /koks Wsad węglowy /koks Gaz surowy Spaliny Powietrze Część czopuchowa istnieją sprawdzone technologie umożliwiające odsiarczanie produkowanego gazu koksowniczego do poziomu poniżej 20 mg H 2 S/m 3 n, efektywną metodą zagospodarowania produkowanego gazu koksowniczego jest jego kogeneracyjne wykorzystanie do produkcji energii elektrycznej w zespole turbin gazowej i parowej, gospodarka energetyczna, a zwłaszcza produkcja energii elektrycznej zapewnia koksowniom samodzielnym większą stabilność ekonomiczną, zwłaszcza w okresach dekoniunktury, alternatywą dla klasycznej technologii koksowania, wobec wielu negatywnych uwarunkowań finansowo-środowiskowych, może być koksownia z bateriami o pionowych komorach pracująca w technologii bez odzysku węglopochodnych, z rozbudowaną częścią energetyczną do produkcji energii elektrycznej. Rys. 6. Zasada działania baterii pieców z pionowymi komorami pracującej w technologii bez odzysku węglopochodnych Fig. 6. View of the principle of operation of the non-recovery coke oven battery with vertical coke ovens Literatura 1. Folder reklamowy GE ENERGY. 2. Folder reklamowy China Metallurgical Engineering & Project Corporation (MEPC). koksownictwo chińskie, mimo podobnych jak Europa trudności, ciągle inwestuje w budowę i innowację swoich zakładów, wyraźny rozwój technologii koksowania bez odzysku węglopochodnych nie zahamował budowy koksowni opartych na klasycznej przeróbce produktów koksowania, Praca została wykonana w ramach projektu kluczowego nr POIG /08 Inteligentna koksownia spełniająca wymagania najlepszej dostępnej techniki dofinansowanego z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego realizowanego w Instytucie Chemicznej Przeróbki w Zabrzu.