Koksowanie węgla metodą wsadu ubijanego stan aktualny i perspektywy rozwoju

100 MICHAŁ REJDAK *), RYSZARD WASIELEWSKI Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, Zabrze Koksowanie węgla metodą wsadu ubijanego stan aktualny i perspektywy rozwoju Stamp charging system in cokemaking technology state of art and development Słowa kluczowe: koksownictwo, system ubijany Keywords: cokemaking, stamp charging system Wprowadzenie Produkcja koksu w Polsce oparta jest przede wszystkim na krajowej bazie węgli koksowych. Prognozy wskazują jednoznacznie, że zasoby węgli o najlepszych właściwościach koksotwórczych wyczerpują się. W ciągu najbliższych lat zapotrzebowanie na najlepsze węgle koksowe (węgle ortokoksowe typ 35) będzie się zwiększać. Wynika to z faktu, że większość krajowych baterii pracuje w zasypowym systemie załadunku komór, w których mieszanki węglowe do produkcji wysokiej jakości koksu, wymagają większego udziału węgli typu 35 w odniesieniu do mieszanek stosowanych w bateriach stosujących system ubijany. Stopień zagęszczenia mieszanki węglowej oddziałuje na jakość otrzymanego koksu oraz zdolność produkcyjną komór koksowniczych [1]. W systemie ubijanym, w efekcie wyższej gęstości wsadu, poprawiają się właściwości mechaniczne koksu, a w szczególności obniża się jego ścieralność. Efekt ten jest tym bardziej widoczny im gorsze właściwości koksotwórcze prezentuje mieszanka węglowa i dlatego system ubijany rozpowszechnił się w rejonach obfitujących w węgle o większej zawartości części lotnych i przeciętnej spiekalności: na Górnym Śląsku w Polsce, w Republice Czeskiej, Zagłębiu Saary w Niemczech, Lotaryngii we Francji, w Rumunii, a w ostatnich latach w Indiach, Ukrainie i Chinach. Największe zainteresowanie przemysłu koksowniczego systemem ubijanym przypadało na lata 50-60. ubiegłego wieku. Jednak wobec zmniejszającej się podaży i rosnących cen węgli o bardzo dobrych właściwościach koksotwórczych obserwuje się powrót i ponowne zainteresowanie systemem ubijanym. W krajowym koksownictwie pracuje aktualnie 25 baterii koksowniczych, w tym 14 stosuje ubijany system wsadu. Szacuje się, że łączna zdolność produkcyjna krajowych baterii wytwarzających koks metodą wsadu ubijanego, wynosi 3,6 3,7 mln Mg/rok, co stanowi około 33 % całkowitych mocy produkcyjnych. Wiek większości tych baterii przekracza jednak 25 lat, przy czym baterie w koksowniach Jadwiga w Zabrzu i Carbo-Koks w Bytomiu przeszły w ostatnich latach remont generalny. Do nowych baterii koksowniczych można zaliczyć: baterię w Koksowni Radlin i baterię w Koksowni Częstochowa Nowa Sp. z o.o. Rys historyczny rozwoju technologii koksowania węgla metodą wsadu ubijanego Zagęszczanie węgla przed koksowaniem drogą ubijania zostało po raz pierwszy zastosowane w roku 1820 w mielerzu w Rive-de-Gier we Francji [2]. Również w piecach schaumburgskich wilgotny węgiel był ubijany dla zwiększenia jego gęstości, co prowadziło do zwiększenia twardości koksu. Ubijanie węgla w skrzyniach drewnianych, które były razem z węglem wsuwane do pieców, wprowadził w 1882 roku po raz pierwszy Ritter P. von Mertens w hucie Trzyniec na Śląsku. W 1885 roku Julius Quaglio opatentował ubijanie węgla w skrzyniach za pomocą mechanicznych ubijaków. Ubity węgiel wsuwany był razem z podłogą do pieców. Po wprowadzeniu węgla do pieca podłoga była wyciągana z powrotem. Wsadnicę z ubijnicą wprowadzono po raz pierwszy na Górnym Śląsku w Zabrzu. W roku 1891 nastąpiło wprowadzenie tego rozwiązania w okręgu Saary, najpierw w koksowni braci Stamm w Neukirchen, a krótko po tym w koksowni huty Halberg. Pierwsze maszyny z zastosowaniem mechanicznego ubijania były mało wydajne. Znaczącym usprawnieniem było wprowadzenie samoczynnie działających ciernych rolek mimośrodowych do podnoszenia ubijaków. Pierwsza maszyna tego typu została zastosowana w hucie Neukirchen w 1897 roku. Później system ubijany rozwinął się szczególnie w Polsce, gdzie w 1960 roku 94 % całej produkcji koksu (10 mln ton) otrzymywane było tym sposobem. *) Autor do korespondencji: Mgr inż. Michał Rejdak Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, ul. Zamkowa 1, 41-803 Zabrze, tel.: 32-271-00-41, e-mail: rejdak@ichpw.zabrze.pl

Nr 2 karbo '2012 101 Szczególnie duże znaczenie dla rozwoju technologii miały niemieckie prace rozwojowe podjęte w okręgu Saary. Prace te zmierzały do zwiększenia stabilności naboju węglowego przy wzroście wydajności ubijarek oraz przystosowania systemu do obsadzania baterii wielkokomorowych. W koksowni Fürstenhausen należącej do Saarbergwerke AG, drogą automatyzacji przebiegów roboczych oraz automatyzacji urządzeń ubijających osiągnięto podwojoną wydajność maszyn w porównaniu z wcześniejszymi rozwiązaniami [2]. Doprowadzono również do optymalizacji zawartości wilgoci i uziarnienia wsadu. W wyniku tych usprawnień osiągnięto nadzwyczaj wysoką i równomierną gęstość ubicia oraz związaną z tym dużą stabilność placka węglowego. Technika ubijania opracowana na podstawie doświadczeń w koksowni Fürstenhausen stała się atrakcyjna rynkowo i konkurencyjna dla innych nowych rozwiązań technologicznych, takich jak częściowe brykietowanie i wstępne podsuszanie wsadu. Brakowało jednak jej zastosowania w piecach wielkokomorowych, dlatego zakłady Saarbergwerke AG zdecydowały się na budowę instalacji demonstracyjnej dla pieców o wysokości komór 6 m i szerokości 465 mm. Przebudowę wsadnicy umożliwiającą przygotowywanie placków węglowych dla pieców o wysokości 6 m podjęto wspólnie z firmą Saarberg Interplan. W sierpniu 1979 roku instalacja z sukcesem weszła do ruchu, co potwierdziło możliwość zastosowania systemu ubijanego dla baterii wielkokomorowych. Zweryfikowano przy tym pogląd, że stosunek szerokości do wysokości wsadu nie może przekraczać wartości 1:9, osiągając wartość 1:12 15 [3]. Bazując na doświadczeniach z Fürstenhausen, w 1984 r. oddano do ruchu centralną koksownię Saar GmbH (ZKS) powiązaną energetycznie i organizacyjnie z hutą Dillingen. Oddane w 1984 roku dwie baterie koksownicze posiadały komory koksownicze o wysokości 6,25 m (w stanie gorącym), a ubicie sześciometrowego naboju o masie ok. 50 Mg zajmowało około 7,5 minut. Była to pierwsza wielkokomorowa bateria wsadu ubijanego na świecie wyposażona w innowacyjne rozwiązania techniczno-technologiczne usprawniające eksploatację baterii i ograniczające jej szkodliwy wpływ na środowisko. Doświadczenia niemieckie miały kluczowe znaczenie dla rozwoju technologii koksowania węgla metodą wsadu ubijanego. Zapoczątkowały one rozwój technologii wsadu ubijanego dla baterii wielkokomorowych i stały się podstawą nowoczesnych rozwiązań technicznych na całym świecie. Charakterystyka technologii wsadu ubijanego W ubijanym systemie obsadzania komór dużą gęstość uzyskuje się przez ubijanie mechaniczne (tłukami-ubijakami) wsadowych mieszanek węglowych o odpowiednio dobranym przemiale komponentów i właściwej zawartości wilgoci. Ogólnie można przyjąć, że gęstość wsadu węglowego (w stanie roboczym) waha się, w zależności od wszystkich czynników mających nań wpływ, w granicach 700 900 kg/m 3 przy systemie zasypowym, a od 900 do 1150 kg/m 3 przy systemie ubijanym. W systemie zasypowym obsadzanie komór koksowniczych mieszanką węglową odbywa się w sposób grawitacyjny. Węgiel znajdujący się w zbiornikach umiejscowionych na wozie zasypowym zsypywany jest do komory koksowniczej przez specjalne otwory umiejscowione w stropie baterii. We współczesnych rozwiązaniach wóz zasypowy wyposażony jest dodatkowo w mechanizmy do odkurzania stropu, zalewania pokryw, czyszczenia otworów zasypowych, pokryw i rur odciągowych [4]. W przypadku systemu ubijanego, placek węglowy (nabój) formowany jest w skrzyni nabojowej wsadnicy i wprowadzany do komory koksowniczej poprzez otwór drzwiowy po stronie maszynowej (rys. 1). Rys. 1. Bateria koksownicza wykorzystująca metodę wsadu ubijanego 1 masyw baterii, 2 wsadnica (SCP), 3 wieża węglowa, 4 ubijarki, 5 nabój węglowy, 6 wóz stropowy, 7 wóz przelotowy, wóz gaśniczy, 8 wieża gaszenia Fig. 1 Stamp-charging system coke oven battery 1 battery massif, 2 SCP machine, 3 coal tower, 4 stamping units, 5 coal cake, 6 CGT car, 7 coke guide car, quenching car, 8 quenching tower

102 Koniecznym warunkiem zastosowania metody wsadu ubijanego jest odpowiednia zwartość i wytrzymałość naboju, zapobiegająca jego rozpadnięciu się podczas napełniania komory, co jest szczególnie istotne w przypadku baterii wielokomorowych. Uszkodzenie naboju w trakcie obsadzania powoduje bowiem spore utrudnienia operacyjno-ruchowe i obniża produktywność komory koksowniczej. Wytrzymałość mechaniczna naboju jest wypadkową szeregu czynników technologicznych, takich jak: uziarnienie, zawartość wilgoci, właściwa homogenizacja mieszanki węglowej i odpowiednie prowadzenie procesu ubijania (równomierna gęstość w całej objętości wsadu węglowego). Podstawowym warunkiem skuteczności ubijania jest utrzymanie w mieszance minimum 9 % wilgoci, umożliwiającej uzyskanie naboju o wystarczającej zwartości. Wielkość ta jest nieco wyższa przy ubijaniu wsadu dla komór wysokich (powyżej 5 m). Za wartość optymalną przyjmuje się wówczas ok. 10 12 % (w zależności od składu ziarnowego). W przypadku starszych konstrukcji ubijarek, w celu poprawy trwałości naboju dodaje się drabinki drewniane, faszynę, ścinki taśm itp. Rozwój technologiczny, obserwowany na tym polu w okresie ostatnich lat (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 w bateriach wielkokomorowych. Aktualnie wyróżnić można dwa podstawowe sposoby realizacji ubijania wsadu koksowniczego: ubijanie klasyczne oraz ubijanie stacjonarne. Do formowania naboju węglowego w klasycznym systemie ubijanym służy zestaw urządzeń przedstawiony na rysunku 2. Ubijanie mieszanki węglowej w tym systemie prowadzone jest w stalowej skrzyni nabojowej, która znajduje się we wsadnicy (wsadnico-ubijnicy) maszynie obsługującej baterię koksowniczą [1]. W literaturze anglojęzycznej funkcjonuje termin SCP machine (Stamping-Charging-Pushing machine). Wymiary skrzyni są nieco mniejsze od komory koksowniczej tak, aby ubity nabój nie uległ zniszczeniu podczas załadunku. Zbiornik wsadnicy mieści masę węgla wystarczającą do uformowania 2-3 nabojów węglowych. Odpowiednio przygotowana mieszanka węglowa o określonym składzie ziarnowym i zawartości wilgoci dozowana jest do skrzyni nabojowej podajnikami szufladkowymi o kontrolowanej ilości węgla. Zagęszczenie mieszanki jest prowadzone za pomocą zestawu ubijaków. Pojedynczy zestaw zwany ubijarką składa się z 4-6 ubijaków. W starszych konstrukcjach nabój przygotowany jest warstwowo (najczęściej 5-6 warstw), przy czym ilość podawanego węgla regulowana jest ręcznie, a proces ubijania realizowany zazwyczaj za pomocą dwóch ubijarek. Obsługa ubijarek prowadzona jest przez odpowiednio przeszkoloną załogę (ubijaczy). Załoga prowadzi ubijanie kolejnych warstw naboju węglowego, kilkukrotnie przejeżdżając ubijarkami wzdłuż skrzyni nabojowej i kontrolując jednocześnie ilość mieszanki węglowej oraz skok ubijaków. W nowoczesnych rozwiązaniach napełnianie skrzyni nabojowej prowadzone jest w sposób ciągły (z wyjątkiem pierwszej warstwy), a sam proces ubijania jest zautomatyzowany. Najnowsze konstrukcje wsadnic wyposażone są w ubijarki wieloubijakowe rozmieszczone na całej długości skrzyni nabojowej, co pozwala na znaczne skrócenie czasu ubijania, a większa ilość ubijaków wpływa pozytywnie na równomierną gęstość naboju węglowego i jego wytrzymałość mechaniczną. Po ubiciu naboju węglowego następuje odsunięcie ścian bocznych skrzyni nabojowej i wsunięcie ubitego naboju wraz z podłogą (deska obsadowa) do komory koksowniczej. Koniec naboju jest przytrzymywany specjalną płytą stalową (tzw. kozioł), która następnie unieruchamia go w komorze podczas wyciągania podłogi skrzyni nabojowej. Góra ubitego naboju powinna być wyrównana tak, aby wysokość przestrzeni podsklepieniowej po obsadzeniu komory gwarantowała swobodny przepływ surowego gazu koksowniczego. Dawniej przy słabym zagęszczeniu naboju węglowego, jego czoło było chronione specjalną płytą stalową (tarcza nabojowa, szyld), którą po obsadzeniu wyciągano z komory przez otwór w sklepieniu po stronie koksowej i odtransportowywano z powrotem na wsadnicę. Ubijanie stacjonarne stanowi modyfikację klasycznego systemu ubijania [4]. Stanowiska ubijania zabudowane są po obu stronach wieży węglowej, natomiast na wsadnicy znajduje się tylko skrzynia nabojowa. Wsadnica podjeżdża na stanowisko ubijania pod wieżą węglową i jest ustawiana dokładnie w osi urządzenia ubijającego. Gdy zostanie uzyskane Rys. 2. Schemat rozmieszczenia urządzeń do ubijania naboju węglowego na wsadnicy [1] 1 zbiornik mieszanki węglowej, 2 ubijarka, 3 dozownik węgla, 4 skrzynia nabojowa, 5 ściana stała, 6 ściana ruchoma Fig. 2. Arrangement of stamping devices in charging machine [1] 1 coal blend hopper, 2 stamper, 3 coal feeder, 4 stamping box, 5 fixed wall, 6 movable wall

Nr 2 karbo '2012 103 wymagane położenie i skrzynia nabojowa zostanie zamknięta, wysyłany jest sygnał do systemu sterowania, który zezwala na rozpoczęcie procesu ubijania. Sam proces ubijania w zasadzie nie różni się niczym od ubijania klasycznego. Zastosowanie stacjonarnego systemu ubijania dodatkowo umożliwia centralizację źródła hałasu, a także obniżenie jego emisji poprzez montaż ekranów akustycznych. Operacja ubijania wsadu realizowana jest za pomocą ubijarek napędzanych pasowo bądź ciernie, z możliwością przesuwu ubijarki wzdłuż skrzyni nabojowej (rys. 3). W systemie pasowym ubijak podnoszony jest przez pas wykonany z tkaniny o szerokości równej szerokości konstrukcji nośnej ubijaka [4]. Pas ten zostaje naprężony tak, aby podczas obrotu mimośród na stałe osadzony na wale siłą tarcia podnosił ubijak, po czym po przejściu mimośrodu następuje zwolnienie napięcia pasa, a ubijak opada z wysokości około 0,5 m na węgiel w skrzyni nabojowej, powodując jego zagęszczenie (ubicie). Napęd pasowy można spotkać jedynie w starszych konstrukcjach ubijarek oddanych do eksploatacji w latach 80. ubiegłego wieku. Aktualnie wszystkie konstrukcje oddane do użytku w ciągu ostatnich dwudziestu lat posiadają napęd cierny, który zastosowano po raz pierwszy w koksowni Fürstenhausen w 1959 r. [5]. Podnoszenie młotów odbywa się za pomocą krążków (mimośrodów) współpracujących z wykładzinami drąga. Starsze wersje tych ubijarek wyposażone były w mimośrody sprężynowe, które bezpośrednio oddziaływały swoją powierzchnią na konstrukcję ubijaka z zamocowaną do niej okładziną cierną (ferrodo, płytki miedziane itp.). Przy nowszych rozwiązaniach ubijarek, w miejscu mimośrodów sprężynowych zastosowano wykładziny elastomerowe na mimośrodzie stalowym. Współczesne ubijarki są całkowicie zmechanizowane, wyposażone w pełną automatykę pracy: od zasypania i ubicia dolnej warstwy po zakończenie ubijania naboju węglowego. W procesie ubijania na warstwę mieszanki węglowej wsypanej do skrzyni nabojowej przenoszona jest energia kinetyczna E k, równa iloczynowi energii potencjalnej młota w jego górnym położeniu E p i współczynnika sprawności η przemiany jednej energii w drugą [1]. Dla ubijarek pasowych współczynnik sprawności η = 0,82-0,84, natomiast dla ciernych η = 0,90-0,92. Energia kinetyczna młota jest zużywana głównie na pracę ubijania, a częściowo rozpraszana na deformację ścian skrzyni nabojowej lub zamieniana w ciepło. Eksploatacja baterii koksowniczej wiąże się z emisją gazowo-pyłową, która ma miejsce podczas cyklu koksowania węgla. Ma to szczególne znaczenie w przypadku baterii wsadu ubijanego, kiedy to w procesie obsadzania komory ubitym wsadem węglowym uwalniana jest do otoczenia znaczna ilość tzw. gazów obsadowych, zawierających szkodliwe substancje chemiczne. Podczas obsadzania komór, zarówno w bateriach z ubijanym, jak i zasypowym systemem obsadzania, zmniejszenie emisji można osiągnąć poprzez zastosowanie technik: hydroinżekcji gazów obsadowych do odbieralnika, przerzutu gazów obsadowych do sąsiedniej komory, układu podwójnego odbieralnika oraz regulacji ciśnienia gazu surowego w pojedynczej komorze koksowniczej. Odsysanie gazów obsadowych do odbieralnika polega na wytworzeniu podciśnienia 900 Pa u podstawy rury odciągowej, poprzez hydroinżekcję oczyszczoną wodą amoniakalną o ciśnieniu większym od 4,0 MPa i zabudowanie dyszy zawirowującej w łączniku rury odciągowej do odbieralnika [6]. Obecnie, dla wspomagania odsysania gazów obsadowych równolegle z hydroinżekcją stosuje się rurę przerzutową, przemieszczającą gazy z komory napełnianej węglem do sąsiedniej (lub 2 sąsiednich), w której wydzielanie surowego gazu koksowniczego z wsadu węglowego jest już niewielkie, lub też układ podwójnego odbieralnika. Skuteczność działania układu można zwiększyć, montując na wsadnicy ramkę doszczelniającą (rys. 4) [7]. Rys. 3. Ubijarki: pasowa i cierna [1] Fig. 3. Stampers: belt and friction drive [1]

104 Rys. 4. System odbioru gazów obsadowych (CGT) dla systemu ubijanego [7] Fig. 4. The Charging Gas Transfer (CGT) system for stamp charged battery [7] Pierwszy raz tego typu rozwiązanie zastosowano w koksowni Fürstenhausen, gdzie w latach 1989 1992 opracowano specjalny system przerzutu gazów obsadowych. Służący do tego celu wóz stropowy posiadał rurę przerzutową łączącą sąsiednie komory. Gazy obsadowe odsysane były do gazu surowego za pomocą inżekcji parowej w rurach wznośnych obu komór. Wydobywaniu się gazów podczas obsadzania komory ubitym wsadem węglowym zapobiega dodatkowo ramka uszczelniająca przy otworze drzwiowym. Ramka ta uszczelnia szczelinę między plackiem węglowym i ścianami komory koksowniczej, zapobiegając wydostawaniu się gazów obsadowych na zewnątrz. Wdrożenie wymienionych rozwiązań pozwala zmniejszyć o 90 98 % emisję gazów obsadowych. Zastosowanie systemów regulacji ciśnienia w pojedynczej komorze koksowniczej umożliwia nie tylko ograniczenie emisji z obsadzania baterii, ale także z całego cyklu koksowania mieszanki węglowej. Do najpopularniejszych rozwiązań należą konstrukcje PROven i SOPRECO. Zasada działania polega na regulacji (stabilizacji) ciśnienia w komorze koksowniczej zmiennego w czasie i zależnego od fazy procesu koksowania, które w znacznym stopniu przyczynia się do emisji surowego gazu koksowniczego poprzez nieszczelności masywu baterii, w tym głównie przez drzwi piecowe. Dokładne omówienie powyższych rozwiązań technologicznych można znaleźć w publikacji [8]. Prace nad opracowaniem konkurencyjnej metody prowadzone są w IChPW w ramach projektu badawczego: Inteligentna koksownia spełniająca wymagania najlepszej dostępnej techniki. Kierunki rozwoju technologii wsadu ubijanego Aktualnie, rozwój technologii koksowania węgla metodą wsadu ubijanego ukierunkowany jest przede wszystkim na podniesienie produktywności, optymalizację procesu przygotowania wytrzymałego naboju węglowego oraz ograniczenie szkodliwego wpływu eksploatacji baterii na środowisko. Zwiększenie objętości komory dodatkowo wpływa na obniżenie emisji na jednostkę wyprodukowanego koksu. Jak już wspomniano wcześniej, pierwszą wielkomorową baterią wsadu ubijanego była bateria B1 w Dillingen, oddana do eksploatacji w 1984 r. Bateria ta zrewolucjonizowała ówczesne podejście do projektowania baterii systemu ubijanego, udowadniając, że dzięki procesom automatyzacji procesu ubijania, a tym samym wzrostowi gęstości wsadu do wielkości ponad 1100 kg/m 3, możliwe jest w praktyce przemysłowej osiągnięcie stosunku szerokości do wysokości naboju węglowego na poziomie 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 zaopatrywania baterii w mieszankę węglową. Poruszający się po stropie baterii wóz odbiera powstające gazy obsadowe i po doprowadzeniu powietrza dopala je, a następnie po oczyszczeniu i schłodzeniu gazy wprowadzane są do odbieralnika. W 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

Nr 2 karbo '2012 105 na całej długości baterii za pomocą ciągu przenośników taśmowych, dzięki czemu uzyskano oszczędność czasu, który w klasycznym systemie zużywany jest na przejazd maszyny pod wieżę węglową. Aktualnie w koksowni Dillingen produkcja koksu odbywa się w dwóch bateriach koksowniczych: wysłużonej uruchomionej w czerwcu 1984 r., baterii B2 i nowej B3. Bateria B3 została oddana do eksploatacji w lutym 2010 roku i jest najnowocześniejszą baterią systemu ubijanego na świecie, wyposażoną w najbardziej zaawansowane narzędzia służące kontroli i sterowaniu procesem koksowania oraz ograniczające szkodliwy wpływ eksploatacji baterii na środowisko [9]. Bateria produkuje koks w 50 komorach koksowniczych o łącznej zdolności produkcyjnej ok. 690 tys. Mg rocznie. Układ grzewczy baterii, bazujący na systemie kanałów bliźniaczych z recyrkulacją spalin i stopniowym spalaniem gazu opałowego (emisja NO x < 250 mg/m 3 n ), umożliwia wykorzystanie do opalania zarówno gazu koksowniczego jak i mieszanego (mieszanina koksowniczego i wielkopiecowego). Podstawowe parametry baterii w Dillingen podano w tablicy 1 [2]. W baterii tej zainstalowano system regulacji ciśnienia w komorze koksowniczej SOPRECO opracowany przez firmę Paul Wurth [9]. Podczas operacji załadunku naboju węglowego zawory utrzymują w odbieralniku wysokie podciśnienie w granicach ok. 400 Pa. W trakcie procesu koksowania ciśnienie w odbieralniku utrzymywane jest na stałym poziomie ok. 0 Pa, a zadana wartość ciśnienia w komorze koksowniczej wynosi ok. 130 Pa (w momencie obsadzania -130 Pa). Powyższe rozwiązanie znacząco ogranicza emisję gazów obsadowych do atmosfery i całkowicie eliminuje emisję gazu surowego przez drzwi piecowe. Okres ostatniej dekady to czas intensywnego rozwoju technologii wsadu ubijanego w koksownictwie chińskim [10]. W roku 2000 zakończono budowę baterii systemu ubijanego o wysokości komór koksowniczych 3,2 3,8 m i rozpoczęto budowę baterii o wysokości komór 4,3 5,5 m. W samym tylko 2008 roku chińskie koksownictwo zwiększyło moce produkcyjne o ponad 30 mln Mg koksu/rok, z czego 71,4 % przypadało na nowo wybudowane baterie wsadu ubijanego o wysokości komór 5,5 m [11]. Postęp w zakresie zwiększania rozmiaru komór koksowniczych determinowany jest przez przepisy, które od 2009 roku dopuszczają budowę baterii systemu ubijanego o wysokości komór min. 5,5 m i objętości min. 35 m 3. 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 mln Mg koksu rocznie (dane szacunkowe) składa się z czterech bloków liczących łącznie 184 (4 x 46) komór koksowniczych [12]. Obsługa baterii realizowana jest przez trzy wsadnice SCP (1 w rezerwie), każda zdolna do wykonania ok. 120 operacji na dobę, które zaopatrywane są w mieszankę wsadową za pomocą systemu przenośników taśmowych (brak wieży węglowej). Podstawowe parametry tej baterii zaprezentowano w tablicy 1. W 2010 roku w Chinach uruchomiono największą na świecie baterię koksowniczą stosującą stacjonarny system ubijania wsadu o wysokości komór 6 m (w stanie gorącym) [13]. Ogółem, w 2009 roku pracowało w Chinach w systemie ubijanym ok. 360 baterii koksowniczych produkujących rocznie ok. 80 mln Mg koksu [11]. 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/r. została zaprojektowana przez ukraińskie biuro projektowe Giprokoks i wybudowana na miejscu przestarzałych, wyłączonych z ruchu baterii nr 9 i 10. Bateria składa się z dwóch bloków: Podstawowe parametry techniczne wybranych baterii koksowniczych wsadu ubijanego Basic technical parameters of selected stamp charged batteries T a b l i c a 1 T a b l e 1 Parametry komory koksowniczej (w stanie gorącym) Koksownia Dillingen Jihua Alczewsk 1 Radlin Częstochowa Nowa Długość, m 16,2 17,22 15,9 16,12/15,9 3 13,35/13,17 4 Wysokość, m 6,25 6,25 5,0 5,07/5,0 4,36/4,30 Średnia szerokość, m 0,50 0,54 0,49/0,50 2 0,488/0,5 0,45/0,46 Zbieżność, m 0,02 0,04 0,02 0,04 0,02 Czas koksowania, h 21 24,5 24 25,5 20 Długość, m u podstawy u szczytu 16,15 b.d. Parametry naboju węglowego 16,25 16,1 15,03 14,88/14,93 14,98 12,26 12,16 Szerokość, m 0,45 0,47 0,45 0,45 0,415 Wysokość, m 6,0 6,0 4,88/4,75 4,75 4,05 Objętość, m 3 43,6 45,6 31,5/32,02 32,18 20,5 Masa, Mg 49 50,17 36,7/37,5 36,1 ok. 22,5 Gęstość, kg/m 3 (wilg.) >1100 >1100 >1130 ok.1100 ok. 1085/990 5 Zaw. wilgoci, % 10 11 10 12 13 9,5 10,5 9 10 1 - w st. zimnym, 2 - dane dla baterii 10-bis, 3,4 - w st. zimnym, 5 - w przeliczeniu na stan suchy

106 39 i 61 komorowych, opalana jest gazem koksowniczym z bocznym doprowadzeniem i jest obsługiwana dwoma zestawami maszyn (jeden w użyciu, drugi rezerwowy): konstrukcji Saarberg-Interplan [14]. Bateria jest wyposażona w jeden odbieralnik gazu surowego zlokalizowany po stronie koksowej, instalację oczyszczania gazu oraz bezpyłowego wypychania koksu. Stosuje się również system mokrego gaszenia pod wieżą gaśniczą typu converging-diverging, w znacznym stopniu ograniczającego emisje pary i koksiku do atmosfery. Charakterystykę podstawowych parametrów komór koksowniczych tej baterii przedstawiono w tablicy 1. Po ponad 10-letniej eksploatacji baterii 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 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) [15]. Układ suchego chłodzenia koksu, składający się z trzech komór (każda o zdolności chłodzenia ok. 70 Mg koksu/h), 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/h. Dzięki zastosowaniu technologii CDQ uzyskano dodatkową poprawę parametrów jakościowych otrzymywanego koksu (tabl. 2). Zastosowanie systemu ubijanego pozwoliło na znaczne poszerzenie palety węgli wchodzących w skład mieszanki wsadowej. Dla systemu zasypowego i ubijanego węgle o gorszych właściwościach koksotwórczych i gazowe stanowią odpowiednio: 34,25 i 66,18 %, a bardzo dobre węgle koksujące odpowiednio: 67,75 i 33,82 % składu mieszanki [16]. Aktualnie, w koksowni w Alczewsku pracuje sześć baterii koksowniczych, o łącznej zdolności produkcyjnej ok. 3,72 mln Mg koksu/rok, w tym dwie systemu ubijanego. T a b l i c a 2 Parametry koksu produkowanego w koksowni w Alczewsku T a b l e 2 Characterictics of coke produced at Alchevskkoks Coke Plant Parametr Baterie 5-8 Bateria 9-bis Bateria 10- bis V daf mieszanki wsadowej, % 29,10 30,2 M 25 88,0 88,0 89,2 M 10 6,9 5,9 5,4 W, % 3,9 4,5 0,5 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 PTU57 została uruchomiona pierwsza w Polsce wielkokomorowa bateria typu PWR ze stacjonarnym ubijaniem wsadu węglowego o wysokości komór 5 m i zdolności produkcyjnej 750 tys. Mg koksu/rok [17, 18]. Konstrukcja baterii nr 1-bis jest analogiczna do baterii pracujących w Alczewsku. Bateria opalana jest gazem koksowniczym (z dolnym 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-ubijakowych). Bateria wyposażona jest w najnowsze rozwiązania ograniczające emisję szkodliwych substancji do otoczenia. Podczas obsadzania stosowana jest ramka doszczelniająca usprawniająca proces odciągu 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 chłodzony jest metodą mokrą w wieży gaszenia z wypełnieniem komórkowym, wyposażonej w dwukomorowy zmechanizowany osadnik koksiku. Podstawowe parametry baterii w Radlinie i Częstochowie zostały przedstawione w tablicy 1. Wysokość komory koksowniczej zwiększono również w oddanej do eksploatacji w 2011 roku baterii systemu wsadu ubijanego typu PWR z bocznym doprowadzeniem gazu opałowego (gaz koksowniczy) w koksowni Częstochowa Nowa Sp. z o.o. Bateria nr 1, składająca się z 57 komór, o zdolności produkcyjnej ok. 415 tys. Mg koksu/rok została zbudowana z wykorzystaniem płyty podłogowej wyłączonej z eksploatacji poprzedniej baterii nr 1. W nowej baterii zwiększono wysokość komór z 3,75 do 4,3 m (w stanie zimnym). Bateria wyposażona jest w jeden odbieralnik gazu surowego umiejscowiony po stronie maszynowej. Zastosowano w niej szereg nowoczesnych rozwiązań techniczno-technologicznych, m.in. regulację ciśnienia w komorze koksowniczej oraz indywidualnie regulowaną przerwę w opalaniu dla poszczególnych ścian grzewczych [19]. Regulacja ciśnienia w indywidualnej komorze koksowniczej realizowana jest 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 zainstalowaną 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/m 3 (st. roboczy) odbywa się za pomocą zestawu 16 ubijaków (4 przesuwne ubijarki po 4 ubijaki) i trwa ok. 6 minut.

Nr 2 karbo '2012 107 Oprócz krajów europejskich i Chin system ubijany na przestrzeni ostatnich dwudziestu kilku lat rozwijał się także w Indiach. 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 [20]. Najlepsze rezultaty w zakresie przyrostu gęstości wsadu i obniżenia wskaźnika ścieralności koksu uzyskano dla systemu ubijanego. Nawiązano w 1982 roku kontakt z firmą Saarberg-Interplan, która przeprowadziła w laboratorium koksowni Fürstenhausen testy przydatności węgli stosowanych w tym czasie w koksowni Tata Steel równolegle dla systemu zasypowego 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 technologie firmy Saarberg-Interplan, a pierwszy koks z baterii wsadu ubijanego został wypchnięty 31 grudnia 1988 roku. Od tego czasu koncern Tata sukcesywnie zastępował w swoich koksowniach system zasypowy systemem ubijanym. W roku 2000 w koksowni Jamshedpur wyprodukowano łącznie 2,3 mln Mg koksu, z czego 2 mln Mg przypadało na system ubijany. Obecnie w koksowni Jamshedpur pracuje 5 baterii wsadu ubijanego (1 bateria wsadu zasypowego) o wysokości komór 4,57 m, szerokości 0,45 m i długości 13,76 m (w stanie gorącym). Aktualnie w Indiach i Chinach, oprócz klasycznej technologii koksowania system wsadu ubijanego znalazł zastosowanie również w koksowniczych bateriach dwuproduktowych typu Heat Recovery (rys. 5 [21]). Tego typu rozwiązanie wykorzystuje uwalniający się w trakcie pirolizy węgla surowy gaz koksowniczy zarówno do ogrzewania wsadu, jak i do produkcji energii elektrycznej [10]. Surowy gaz spalany jest bezpośrednio (bezprzeponowo) nad wsadem węglowym, dzięki powietrzu dostarczonemu poprzez specjalne kanały znajdujące się w drzwiach piecowych. Częściowo spalony gaz wędruje przez kanały w ścianach bocznych do kanałów podtokowych, gdzie jest dopalany w wyniku kontaktu z powietrzem wtórnym. Wytworzone ciepło przekazywane jest przeponowo do wsadu węglowego. Powstałe spaliny kierowane są do bloku kogeneracji dla produkcji energii elektrycznej. 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 kompaktowania firmy Vecon. Przykładem jest koksownia Sesa Goa, w której formowanie poziomego naboju węglowego odbywa się za pomocą instalacji wibracyjnego zagęszczania, a uzyskiwana gęstość wsadu wynosi ok. 1140 kg/m 3 [22]. Innym przykładem zastosowania technologii dwuproduktowej jest indyjska koksownia należąca do koncernu Tata Steel w Haldia [23]. Bateria ta została oddana do eksploatacji w 2007 roku i produkuje rocznie ok. 1,6 mln Mg koksu, a szacowana roczna zdolność produkcyjna energii elektrycznej wynosi 960 GWh. Zagęszczanie wsadu węglowego w tej koksowni realizowane jest metodą prasowania hydraulicznego, a gęstość wsadu kształtuje się na poziomie 1050-1100 kg/m 3 (stan roboczy). Przemysłowe zastosowanie znalazły także konstrukcje chińskiego biura projektowego MEPC, zarówno o poziomej, jak i pionowej orientacji ubitego wsadu węglowego [10]. Rys. 5. Wsad kompaktowany w baterii koksowniczej typu Heat-recovery [21] Fig. 5. Heat-recovery coke oven with compacted charge [21]

108 Podsumowanie Biorąc pod uwagę prognozy wydobycia węgli koksujących, a tym samym konieczność stosowania w najbliższych latach węgli o gorszych właściwościach koksotwórczych, wydaje się, że w polskich warunkach system ubijany jest sprawdzoną alternatywą dla innych technologii umożliwiających zwiększenie udziału gorszej jakości komponentów węglowych we wsadzie. Podobne wrażenie odnosi się, obserwując kierunki rozwoju przemysłu koksowniczego, szczególnie w Azji gdzie system ten przeżywa prawdziwy renesans. Głównymi celami w rozwoju tej technologii, oprócz wspomnianego wyżej zastosowania zwiększonego udziału gorszych, a więc i tańszych węgli wsadowych, są: podniesienie wydajności baterii przez zwiększenie objętości komór, automatyzację obsługi, optymalizację procesu przygotowania mieszanki węglowej oraz ograniczenie szkodliwego wpływu technologii na środowisko. W związku z planami budowy kolejnych wielkokomorowych baterii systemu wsadu ubijanego w Polsce pojawia się konieczność podjęcia prac badawczych zmierzających do optymalizacji procesu przygotowania wsadu węglowego, gwarantującego właściwą stabilność naboju i jakość otrzymanego koksu. Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu prowadzi prace badawcze w tym zakresie w ramach realizacji projektu badawczego: Inteligentna koksownia spełniająca wymagania najlepszej dostępnej techniki. Literatura 1. Karcz A., Koksownictwo cz. I, wyd. AGH, Kraków, 1987. 2. Praca zbiorowa pod red. Farrenkopf M., Koks. Die geschichte eines Wertstoffes. Bochum, 2003. 3. Praca zbiorowa pod red. H. Zielińskiego, Koksownictwo, Wyd. Śląsk, Katowice, 1986. 4. Świeboda B, Niemiec A, Stępień R, Hummer W., Ubijany system obsadzania komór koksowniczych nowe wyzwania. Karbo, 2008, wydanie specjalne, s. 28. 5. Grob H. i in., The Saarberg Stamp Charging Technology Latest Developments and Amenability of Implementation. ICIMC Essen 1987. 6. Klejnowski K. i in., Najlepsze Dostępne Techniki (BAT) wytyczne dla branży koksowniczej Ministerstwo Środowiska. Wyd. IChPW, Zabrze, 2006. 7. Veit G. i in., New trends in stamp charging technology. Eurocoke Summit, Wiedeń 2011, Materiały konferencyjne. 8. Fitko H., Lemanowicz M., Obniżenie emisji niezorganizowanej z baterii poprzez regulację ciśnienia gazu surowego w komorze koksowniczej. Karbo, 2011, t. 56, nr 3, s. 204. 9. Loddo R. i in., A modern design approach in the new stamp charging coke oven batteries in Dillingen. The 6th European Coke and Ironmaking Congress, session 19 Dusseldorf, 2011. 10. Ściążko M, Karcz A., Kierunki technologiczne rozwoju koksownictwa. Karbo, 2011, t. 56, nr 4, s. 228. 11. Kurunov I. i in., Coal Preparation, Coking, and Slaking in China and Japan. Koks i Khimiya, 2011, nr 9, s. 22. 12. http://www.coke-oven-managers.org/pdfs/2009/2009- Fiedler&Dahai.pdf 13. Guanghua W. i in., Stamp charging coking process and recovery technology of coking products. 9th China International Coking Technology and Coke Market Congress, Shandong, 2011, Materiały konferencyjne. 14. Gural V., Rudyka V., Construction of the coke production complex on the basis of combination of blend stamping and dry cooling. The 5 th European Coke and Ironmaking Congress, First vol. Stockholm, 2005. 15. Gural V. i in., New Production Technologies at OAO Alchevskkoks. Koks i Khimiya, 2009, nr 9, s. 7. 16. Rudyka V. i in., Coking of stamped coal blend combined with coke dry cooling is a highly effective technology for production of blast furnance coke. EuroCoke Summit, Rzym, 2009. 17. Szafraniec K., Rozwój technologiczny Koksowni Radlin. Referat wygłoszony na Konferencji Koksownictwo 2011, Zakopane, 2011. 18. Kravchenko A..i in., Design and Construction of Coke Battery at Radlin Coke Plant. Koks i Khimiya, 2009, nr 7, s. 30. 19. Wenecki T., Rozwój technologiczny koksowni Częstochowa Nowa. Referat wygłoszony na Konferencji Koksownictwo 2011, Zakopane, 2011. 20. Chaterje A., Changeover of the coke production at Tata Steel from top charging to stamp charging technology. Cokemaking International, 2001, nr 2, s. 75. 21. Kuyumcu H., Abel F., Evaluation of Coal Blend Densification and coal cake stability within the Stamped Charged Cokemaking operation. The 6th European Coke and Ironmaking Congress, session 19, Dusseldorf, 2011. 22. http://www.sesagoa.com/pdf/intertech-chicago.pdf 23. Biswas B. i in., Experience of making high quality coke at Tata Steel s first Heat recovery cokemaking plant. The 6th European Coke and Ironmaking Congress, session 19, Dusseldorf, 2011.