Wpływ wybranych technik przygotowania wsadu węglowego na jakość koksu

Aleksander Sobolewski a, Michał Rejdak a,*, Andrzej Czaplicki a, Marcin Janusz a, Andrzej Mianowski a, b a Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, Zabrze; b Politechnika Śląska, Gliwice The effect of coal charge preparation on coke quality Wpływ wybranych technik przygotowania wsadu węglowego na jakość koksu DOI: dx.medra.org/10.12916/przemchem.2014.2103 A review, with 48 refs., of methods for prepn. of coal charge for coking was given. Bituminous coals from 6 Polish coal mines (including coals with low coking properties) and a coke dust were used for prepn. of coal charges with varying d. changed by optimization of grain size distribution, drying, oiling, partial briquetting and mech. stamping. The charges were then coked at 950 C and the coke was studied for d., coke reactivity factor and coke strength after reaction with CO 2. The highest increase in the coke quality was achieved after mech. stamping the coal charge and preliminary drying of the coals. Przedstawiono wpływ wybranych technik preparacji koksowniczego wsadu węglowego na jakość koksu oraz ocenę możliwości zastępowania drogich deficytowych węgli ortokoksowych tańszymi węglami gazowo-koksowymi przy zachowaniu stałej jakości koksu. Przedmiotem badań były mieszanki wsadowe skomponowane z polskich węgli koksowych wykorzystywanych w praktyce przemysłowej do produkcji koksu metalurgicznego. Stwierdzono, że wszystkie zastosowane techniki wpływają pozytywnie na jakość koksu. Największą poprawę wskaźników jakościowych koksu uzyskano dla metody ubijania mechanicznego oraz podsuszania wsadu węglowego. Wykazano, że zastosowanie wybranych technik preparacji wsadu umożliwia zwiększenie udziału tańszych węgli w mieszance wsadowej przy zachowaniu stałej jakości koksu. Problem jakości koksu odgrywa kluczową rolę w aspekcie eksploatacji wielkich pieców. Koks w procesie wielkopiecowym spełnia funkcję 1) energetyczną (dostarczenie ciepła do procesu), chemiczną (źródło gazów redukcyjnych i węgla pierwiastkowego do nawęglania surówki) oraz fizyczną (podtrzymanie słupa materiałów wsadowych i zapewnienie przepływu gazów redukcyjnych przez piec). Przydatność koksu do procesu wielkopiecowego jest określona takimi parametrami jakościowymi, jak reakcyjność wobec CO 2 CRI (coke reactivity index), wytrzymałość poreakcyjna CSR (coke strength after reaction), wytrzymałość mechaniczna M 40 i ścieralność M 10. Ważne są też inne parametry fizyczne i chemiczne (skład granulometryczny, zawartość wilgoci, popiołu, siarki, fosforu i alkaliów), które w pośredni sposób wpływają na zachowanie się koksu w wielkim piecu. Rozwój techniczny w hutnictwie, polegający na wdrażaniu do eksploatacji wielkich pieców o coraz większej objętości i stosujących paliwa zastępcze, m.in. pył węglowy (technologia PCI), prowadzi do wzrostu wymagań jakościowych dotyczących koksu wielkopiecowego, a w szczególności jego parametrów wytrzymałościowych 2 4). Zaostrzonymi wymaganiami nowoczesnej technologii wielkopiecowej objęty jest również polski koks eksportowy, kierowany najczęściej do Dr inż. Aleksander SOBOLEWSKI notkę biograficzną i fotografię Autora drukujemy w bieżącym numerze na str. 2096. Mgr inż. Michał REJDAK w roku 2007 ukończył studia na Wydziale Paliw i Energii AGH Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie. Od ponad siedmiu lat pracuje w Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla na stanowisku specjalisty inżynieryjno-technicznego. Specjalność zagadnienia związane z przygotowaniem wsadu do koksowania dla systemu ubijanego (badania procesu ubijania, wytrzymałość mechaniczna naboju węglowego), komponowaniem mieszanek wsadowych, a także budową, eksploatacją, regulacją oraz modernizacją baterii koksowniczych. * Autor do korespondencji: Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, ul. Zamkowa 1, 41-803 Zabrze, tel.: (32) 271-00-41 wew. 358, fax: (32) 271-08-09, e-mail: rejdak@ichpw.zabrze.pl Mgr inż. Andrzej CZAPLICKI w roku 1983 ukończył studia na Wydziale Technologii i Inżynierii Chemicznej Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Obecnie pracuje w Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu. Specjalność problematyka zgazowania stałych nośników energii, przygotowania wsadu węglowego dla koksownictwa oraz metodologia monitorowania emisji CO 2 zgodnie z wymogami systemu handlu uprawnieniami do emisji gazów cieplarnianych. 93/12(2014) 2103

zachodnioeuropejskich hut. Na parametry jakościowe koksu wpływa jakość stosowanego surowca węglowego (właściwości koksotwórcze, stopień uwęglenia, zawartość chloru, fosforu i alkaliów) oraz parametry przygotowania mieszanki wsadowej (gęstość wsadu, stopień Jakość surowca węglowego Warunki procesu koksowania Jakość koksu Przygotowanie mieszanki wsadowej Obróbka pozapiecowa koksu Fig. 1. Factors influencing the coke quality 6) Rys. 1. Czynniki wpływające na jakość koksu 6) rozdrobnienia, zawartość wilgoci); rys. 1. Jakość koksu zależy również od warunków prowadzenia procesu koksowania (czas koksowania, końcowa temperatura procesu) oraz stosowanych metod obróbki pozapiecowej koksu. Osiągnięcie parametrów jakościowych koksu o wartościach żądanych przez jego odbiorców wymaga zastosowania w mieszance wsadowej węgli ortokoksowych typu 35 o najwyższej jakości, co przekłada się na wzrost jednostkowych kosztów produkcji (wyższy koszt mieszanki wsadowej). Wobec braku w Kraju węgli koksowych o najwyższej jakości, a także ze względu na ograniczoną podaż i spore wahania jakościowe krajowych węgli ortokoksowych, producenci koksu są zmuszeni do poszukiwania rozwiązań mających na celu zapewnienie odpowiedniej jakości i ekonomiki produkcji. Jednym z rozwiązań jest wprowadzenie do mieszanek wsadowych wysokojakościowych węgli pochodzących z importu 5). Alternatywą dla importu jest zastosowanie odpowiednich technik preparacji wsadu umożliwiających zwiększenie jego gęstości, co w bezpośredni sposób przekłada się na wzrost jakości produkowanego koksu lub pozwala na zwiększenie udziału węgli gazowokoksowych w mieszance wsadowej przy zachowaniu niezmienionej jakości koksu. Do najbardziej znanych metod zwiększenia gęstości wsadu należą m.in. racjonalizacja uziarnienia, olejowanie, preparacja termiczna (podgrzewanie, podsuszanie) oraz obróbka mechaniczna wsadu węglowego przez częściowe brykietowanie oraz ubijanie 6 9). Gęstości wsadu uzyskiwane przy wykorzystaniu tych technologii mieszczą się w zakresie 750 1100 kg/m 3. Wzrost stopnia zagęszczenia intensyfikuje wzajemny kontakt ziaren mieszanki węglowej, prowadzi do wzrostu ciśnienia wewnątrz wsadu 10, 11), co pozytywnie wpływa na proces formowania się porowatej, dobrze spieczonej struktury koksu. Koks wytworzony ze wsadu o wyższej gęstości charakteryzuje się niższą porowatością i większą gęstością pozorną, co również ma korzystny wpływ na jego parametry wytrzymałościowe. Obserwuje się obniżenie ścieralności M 10 oraz zwiększenie wytrzymałości CSR. Większa gęstość wsadu przekłada się również na wzrost produkcyjności komory koksowniczej. Jednym z podstawowych czynników wpływających na jakość koksu jest skład ziarnowy mieszanki węglowej 12 14). Jest on jednym z głównych czynników determinujących gęstość nasypową wsadu węglowego przeznaczonego do koksowania. Problemowi racjonalnego rozdrabniania węgla, jako jednemu z podstawowych czynników umożliwiających poprawę jakości koksu, poświęcano wiele uwagi, tak w przeszłości, jak i obecnie 15 20). Przeprowadzone w tym zakresie badania wykazały, że zwiększenie stopnia przemiału węgla przy zachowaniu stałej gęstości wsadu korzystnie wpływa na wartość wskaźników M 40 i M 10. Jednocześnie stwierdzono, że stosowanie w procesie koksowania węgli zbyt rozdrobnionych negatywnie wpływa na te wskaźniki. Spowodowane jest to występującym w tych warunkach efektem samoschudzania się mieszanki węglowej 16). Ustalenie stopnia przemiału węgla wsadowego jest szczególnie istotne w procesie koksowania przebiegającym w bateriach z zasypowym systemem obsadzania komór. W tych warunkach korzystny wpływ zwiększonego przemiału węgla jest niwelowany zmniejszeniem się jego gęstości nasypowej, co z kolei negatywnie wpływa na jakość koksu. Problem ten w mniejszym stopniu występuje w bateriach systemu ubijanego, gdzie można kontrolować gęstość wsadu (w ograniczonym zakresie) poprzez zmianę czasu (pracy) ubijania. Jednak bardziej rozdrobniona mieszanka wsadowa wymaga większego nakładu pracy ubijania w celu osiągnięcia tej samej gęstości wsadu (naboju) węglowego w porównaniu z mieszanką o mniejszym stopniu rozdrobnienia. Zagadnienia związane z doborem przemiału węgla nabrały ostatnio szczególnego znaczenia z uwagi na występującą niekorzystną tendencję wzrostu zawartości drobnych (< 0,5 mm) klas ziarnowych w węglach dostarczanych do koksowni, pochodzących z kopalń stosujących proces flotacji. Doniesienia literaturowe wskazują, że wzrost zawartości drobnej frakcji (< 0,5 mm) we wsadzie węglowym wpływa niekorzystnie zarówno na gęstość nasypową, jak i na jakość koksu 19). W praktyce przemysłowej stosuje się albo rozdrabnianie mieszanki wsadowej, albo oddzielne rozdrabnianie poszczególnych komponentów mieszanki. Do rozdrabniania stosuje się najczęściej kruszarki młotkowe. Obecnie preferuje się indywidualne mielenie poszczególnych komponentów mieszanki wsadowej, co umożliwia kontrolowanie stopnia rozdrobnienia pojedynczych składników oraz zapobiega tworzeniu się nadmiernej ilości frakcji pyłowej 21). Korzystne efekty można także uzyskać dzięki wprowadzeniu metody selektywnego przemiału, polegającego na oddzieleniu frakcji drobnej i poddaniu mieleniu tylko frakcji grubszej, co również zapobiega powstawaniu frakcji pyłowej i dodatkowo pozwala oszczędzić energię (nie trzeba mleć rozdrobnionego materiału). W Rosji opracowano sposób przygotowania mieszanek węglowych, w którym oprócz selektywnego przemiału zastosowano pneumatyczną separację, umożliwiającą także rozdział ziaren wg ich gęstości 20). Technologię tę w 2004 r. wdrożono również w Chinach 22). Olejowanie mieszanki wsadowej polega na dodawaniu do niej różnego rodzaju cieczy organicznych pochodzenia karbochemicznego lub petrochemicznego 23, 24). Substancje te powodują obniżenie napięcia powierzchniowego wody, ograniczenie zjawiska kohezji wynikającego z obecności wilgoci na powierzchni ziaren, a także zmniejszenie sił tarcia międzyziarnowego oraz aglomerację najdrobniejszej frakcji, co w konsekwencji powoduje wzrost gęstości nasypowej wsadu węglowego. Rozróżnia się mikrododatki (ich ilość w węglu wsadowym Mgr inż. Marcin JANUSZ w roku 2008 ukończył studia na Wydziale Chemicznym Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Ukończył studia podyplomowe w Akademii Górniczo-Hutniczej w zakresie nowoczesnych metod zarządzania i technologii w koksownictwie. Od 2009 r. jest pracownikiem Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu na stanowisku inżyniera w Centrum Badań Technologicznych. Specjalność przygotowanie wsadu do koksowania dla systemu zasypowego, procesy kompaktowania i aglomeracji oraz hydrodynamika paliw zawiesinowych. Prof. dr hab. inż. Andrzej MIANOWSKI w roku 1970 ukończył studia na Wydziale Chemicznym Politechniki Śląskiej w Gliwicach. W 1976 r. obronił pracę doktorską, a stopień doktora habilitowanego otrzymał w 1988 r. Tytuł profesora nauk technicznych otrzymał w 2001 r. Obecnie jest zatrudniony na stanowisku profesora zwyczajnego w Katedrze Chemii, Technologii Nieorganicznej i Paliw Politechniki Śląskiej, a od 2006 r. jest profesorem IChPW w Zabrzu. Od 1999 r. jest członkiem Komitetu Redakcyjnego Rocznika Ochrony Środowiska, a od 2004 r. członkiem Komitetu Redakcyjnego Karbo oraz Rady Programowej Przemysłu Chemicznego. Specjalność technologia węgla oraz utylizacja odpadów stałych, a także analiza termiczna w aspekcie technologicznym i przemysłowym. 2104 93/12(2014)

nie przekracza 1%) oraz makrododatki (dozowane w ilości do 10%). Olejowanie wsadu znalazło zastosowanie w koksowniach rosyjskich i ukraińskich, w których jako dodatki do wsadu stosowane są kompozycje wodno-olejowe przygotowane na bazie odpadowych produktów koksowania 24). Olejowanie wsadu, jako operacja stosunkowo prosta i niedroga, jest też stosowane w wielu koksowniach w państwach UE. Termiczna preparacja wsadu węglowego jest procesem przygotowania wsadu węglowego, polegającym na jego podsuszeniu, a w niektórych przypadkach podgrzaniu przed załadunkiem do komory. Praktyka eksploatacji baterii napełnianych wsadem suchym i podgrzanym wiąże się jednak m.in. z nadmiernym ciśnieniem rozprężania, niebezpieczeństwem magazynowania, transportem gorącego pyłu węglowego oraz szybszą grafityzacją komór koksowniczych 24 28). Doprowadziło to do rezygnacji z podgrzewania wsadu na rzecz podsuszania. Rozwiązania techniczne i technologiczne termopreparacji wsadu szczegółowo przedstawiono w pracy 29). Istotną zaletą podsuszania jest możliwość skrócenia czasu koksowania, a także zmniejszenie energochłonności procesu produkcji koksu, wynikające ze znacznie wyższej sprawności energetycznej suszarek w porównaniu ze sprawnością komory koksowniczej. Dodatkowym korzystnym efektem technologicznym wynikającym z zachowania się węgla podsuszonego jak pseudocieczy jest zwiększenie równomierności zagęszczenia wsadu na całej wysokości i długości komory. W przypadku węgli wilgotnych gęstość nasypowa jest znacznie zróżnicowana. Gęstość wsadu pod otworami zasypowymi jest o kilkanaście do dwudziestu kilku procent większa niż w górnych partiach wsadu pomiędzy otworami zasypowymi. W przypadku systemu zasypowego duża zawartość wilgoci wpływa niekorzystnie zarówno na gęstość wsadu, jak i bilans ekonomiczo-ekologiczny procesu (większe zapotrzebowanie energii na odparowanie wody, większa ilość ścieków fenolowych). Woda gromadząc się w punktach styku ziaren węglowych, tworzy mostki wodne znacząco ograniczające ruchliwość ziaren, a tym samym zdolność ich reorganizacji. Siła oddziaływania mostków zależy od ich liczby i rozmiarów. Zmniejszenie zawartości wilgoci wiąże się z ograniczeniem liczby i wielkości mostków wodnych, co ułatwia przemieszanie się ziaren i powoduje wzrost gęstości wsadu. Operacja podsuszania wsadu węglowego znalazła przemysłowe zastosowanie w Japonii, Chinach oraz w Korei Płd., co pozwoliło tam na zwiększenie udziału w mieszankach węgli o gorszych właściwościach koksotwórczych 30). Dane literaturowe 5, 11, 30 36) wskazują na pozytywny wpływ podsuszania wsadu na jakość koksu. Uzyskany wzrost jakości jest różny, co najprawdopodobniej wynika ze zróżnicowanych właściwości badanych węgli i ich mieszanek. Aby oszacować realny wpływ operacji podsuszania, konieczne jest przeprowadzenie badań jakości koksu dla konkretnych warunków wsadowych i produkcyjnych. Jedną z efektywnych technologii przygotowania węgla wsadowego do koksowania jest jego zagęszczanie mechaniczne poprzez brykietowanie lub granulowanie. Procesy te prowadzi się najczęściej w prasach walcowych z zastosowaniem dodatku substancji wiążących, którymi są produkty pochodzenia petrochemicznego (ciężkie frakcje ropy naftowej, asfalty podestylacyjne) lub koksowniczego (paki, smoła, smołowe produkty odpadowe). Substancje te dodawane w ilości 4 8% spełniają funkcję lepiszcza zapewniającego dobrą wytrzymałość wytwarzanych brykietów, a także nie pozostają obojętne w stosunku do substancji węglowej. Lepiszcza charakteryzujące się dobrymi właściwościami koksotwórczymi są czynnikiem bitumotwórczym, poprawiającym warunki spiekania brykietowanych węgli o słabych właściwościach koksotwórczych. W praktyce przemysłowej stosowana jest wyłącznie metoda brykietowania części mieszanki wsadowej 37). Stosowaną mieszankę węglową dzieli się na dwie części, jedną z nich poddaje się brykietowaniu i otrzymane brykiety łączy z pozostałą częścią mieszanki albo przygotowuje się dwie różne mieszanki węglowe, jedną z nich w całości poddaje się brykietowaniu i następnie dodaje do drugiej nie brykietowanej, uzyskując w ten sposób mieszankę wsadową. Korzystniejszy jest wariant drugi, ponieważ sprzyja on uzyskaniu koksu o jedno- 93/12(2014) rodnych właściwościach, umożliwiając zniwelowanie różnic pomiędzy właściwościami koksotwórczymi mieszanki węglowej brykietowanej i mieszanki nie poddanej temu procesowi 38). O powodzeniu technologii częściowego brykietowania wsadu decydują kontrolowany przyrost gęstości nasypowej oraz minimalizacja efektów segregacji ziarnowej. Technologia częściowego brykietowania wsadu węglowego znalazła zastosowanie w japońskim przemyśle koksowniczym, a także w Korei Płd., Chinach i Rosji 37, 39, 40). Prace badawcze zmierzające do opracowania technologii przygotowania wsadu z wykorzystaniem metody brykietowania prowadzono również w Polsce. Efektem prac realizowanych w IChPW, Politechnice Śląskiej i Zakładach Koksowniczych im. Powstańców Śląskich w Zdzieszowicach były założenia do technologii częściowego brykietowania wsadu dla warunków krajowego koksownictwa 37, 41, 42). W opracowanej technologii jako lepiszcze do produkcji brykietów zastosowano smołę węglową wytwarzaną w koksowni. W odróżnieniu od rozwiązań stosowanych w koksownictwie światowym (Japonia), a także w konwencjonalnej technologii produkcji brykietów opałowych, operacje mieszania węgla z lepiszczem oraz brykietowania prowadzono na zimno, bez konieczności podgrzewania surowców 43). Ostatnią z opisywanych technik, ale pozwalającą na uzyskanie największego przyrostu gęstości wsadu jest mechaniczne ubijanie wsadu węglowego. W ubijanym systemie obsadzania komór dużą gęstość uzyskuje się przez mechaniczne ubijanie (tłukami-ubijakami) wsadowych mieszanek węglowych o odpowiednio dobranym przemiale komponentów i właściwej zawartości wilgoci (rys. 2). Wsad węglowy (nabój) formowany jest w skrzyni nabojowej wsadnicy i wprowadzany do komory koksowniczej poprzez otwór drzwiowy po stronie maszynowej 8). W praktyce przemysłowej ubity nabój osiąga masę ok. 18 50 t, wysokość ok. 3,5 6 m, długość 12 16 m i szerokość ok. 0,4 0,5 m. Podstawowym celem ubijania jest uzyskanie naboju węglowego o gęstości zapewniającej właściwą jakość koksu, dużą produktywność baterii oraz bezproblemowy załadunek naboju do komory koksowniczej. Koniecznym warunkiem przy zastosowaniu metody wsadu ubijanego jest odpowiednia zwartość i wytrzymałość naboju, zapobiegająca jego rozpadnięciu się podczas obsadzania komory, co jest szczególnie istotne w przypadku baterii wielkokomorowych. Uszkodzenie naboju w trakcie obsadzania powoduje bowiem spore utrudnienia operacyjnoruchowe, ekologiczne oraz obniża produktywność komory koksowniczej. Wytrzymałość mechaniczna naboju jest wypadkową takich czynników technologicznych, 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 Fig. 2. Stamp-charging system coke oven battery; 1 battery massif, 2 SCP (stamping-charging-pushing) machine, 3 coal tower, 4 stamping units, 5 coal cake, 6 CGT (charging gas transfer) car, 7 coke guide car, quenching car, 8 quenching tower Rys. 2. 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 2105

utrzymanie w mieszance odpowiedniej zawartości wilgoci (9 10%), umożliwiającej uzyskanie naboju o wystarczającej zwartości. W przypadku starszych konstrukcji ubijarek w celu poprawy trwałości naboju dodaje się drabinki drewniane, faszynę lub ścinki taśm. 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. Zastosowanie systemu ubijanego umożliwia zwiększenie zawartości węgli o gorszych właściwościach koksotwórczych, a produkowany koks charakteryzuje się małą wartością wskaźnika ścieralności M 10 i wyższym w stosunku do systemu zasypowego wskaźnikiem wytrzymałości CSR 44, 45). Zbadano wpływ wybranych technik preparacji koksowniczego wsadu węglowego na jakość koksu oraz dokonano oceny możliwości zastąpienia drogich węgli ortokoksowych tańszymi węglami gazowokoksowymi przy zachowaniu stałej jakości koksu. Badania przeprowadzono w ramach Projektu POIG Inteligentna koksownia spełniająca wymagania najlepszej dostępnej techniki. Celem badań była ocena możliwości zwiększenia udziału tańszych węgli typu 34 w mieszance wsadowej przy zachowaniu niezmienionej jakości koksu poprzez zastosowanie metod preparacji wsadu prowadzących do zwiększenia jego gęstości. Część doświadczalna Surowce W badaniach wykorzystano mieszanki bazowe A, B i C o składzie zbliżonym do stosowanego w krajowych koksowniach do produkcji koksu wielkopiecowego oraz mieszanki zmodyfikowane, o zwiększonej do 40% zawartości węgli typu 34 (tabela 1). Jakość mieszanek bazowych A C była na zbliżonym poziomie. Wskaźnik CSR koksów wytworzonych w warunkach instalacji Karbotest (wsad zasypywany) mieścił się w zakresie 49,0 49,3% i był niewystarczający z punktu widzenia producentów koksu wielkopiecowego. Jednak z doświadczeń IChPW i praktyki koksowni wynika, że z mieszanek wsadowych o takich składach w warunkach przemysłowych uzyskuje się koks charakteryzujący się wartościami CSR 56 60%. Jedynie w przypadku mieszanki A wykorzystanej w testach racjonalizacji uziarnienia odnotowano większą wartość CSR (55,3%) Table 1. Composition of coal blends A D, % Tabela 1. Skład badanych mieszanek węglowych A D, % Lp. Węgiel Mieszanki bazowe Mieszanki zmodyfikowane z KWK A B C B1 B2 D ** C1 C2 1 Zofiówka 23 25 20 10 14 40 2 Borynia 19 25 20 20 14 30 20 3 Pniówek 21 25 30 20 15 14 30 30 4 Jas-Mos 15 13 30 13 13 8 10 10 5 Budryk 11 20 30 40 10 25 40 50 6 Krupiński 10 0 0 0 7 Pył koksowy 1 2 0 2 2 0 0 0 Klasa < 3,15 mm, % 88,5/80,4 * 86,2 94,6 85,0 83,8 82,6 93,8 92,9 Klasa < 0,5 mm, % 52,6/39,9 * 46,8 58,8 45,7 41,7 39,3 54,6 53,3 CRI, % 31,7/30,4 * 33,0 34,9 35,6 37,9 - ** 36,1 38,8 CSR, % 49,1/55,3 49,0 49,3 47,0 42,2-46,1 40,0 *Węgle wykorzystane do skomponowania mieszanki A pochodziły z dwóch różnych dostaw; **dla mieszanki D nie wykonano oznaczeń CRI/CSR, ponieważ została wykorzystana jako surowiec do brykietowania (nie stanowiła samodzielnego wsadu). z uwagi na mniejszy stopień jej rozdrobnienia i związaną z tym większą początkową gęstość nasypową. Zawartość węgli gazowokoksowych w mieszankach bazowych A C była w granicy 10 21%. Składy mieszanek stosowanych w praktyce przemysłowej podlegają okresowym zmianom ze względu na dość silne wahania jakości dostarczanego surowca węglowego, a także ze względu na wymaganą (zapisy kontraktowe) jakość koksu. W przypadku systemu zasypowego udział węgli typu 34 w krajowych mieszankach przeznaczonych do produkcji wysokiej jakości koksu wielkopiecowego z reguły nie przekracza 20%, a dla systemu ubijanego 30%. W przypadku testów racjonalizacji uziarnienia, podsuszania oraz olejowania wsadu wykorzystywano mieszankę bazową A o 21-proc. zawartości węgli gazowo-koksowych typu 34, w przypadku testów częściowego brykietowania wykorzystywano mieszankę B (10% węgli typu 34) oraz dwie mieszanki zmodyfikowane B1 i B2 o zwiększonej do 25 i 40% zawartości węgli typu 34. Do mieszanek B B2 dodawano brykiety spreparowane z mieszanki D o 50-proc. zawartości węgli gazowo-koksowych. Udział masowy brykietów wynosił 30%. Testy ubijania przeprowadzono z wykorzystaniem mieszanki bazowej C (20% węgla typu 34) oraz dwóch mieszanek (C1 i C2) o zwiększonej do 30 i 40% zawartości węgla typu 34. Węgle wykorzystywane do komponowania mieszanek wsadowych pochodziły z krajowych koksowni i zostały pobrane z węglowni po procesie mielenia. Stopień rozdrobnienia odpowiadał stosowanemu w praktyce przemysłowej. Metodyka badań Pomiary gęstości nasypowej wykonywane były z wykorzystaniem aparatu oraz metodyki opracowanej przez Gekkera i Mamuta 46) (rys. 3). Wymiary aparatu zostały zaadaptowane do rozmiarów retorty instalacji Karbotest. Odważoną 4-kilogramową porcję wsadu węglowego zasypywano grawitacyjnie z górnego zbiornika do cylindrycznego dolnego zbiornika pomiarowego (o znanej objętości) poprzez otwarcie zasuwy. Następnie wsad wyrównywano do górnej krawędzi zbiornika, a gęstość nasypową określano na podstawie ilorazu masy zasypanego węgla do jego objętości. Obliczano średnią arytmetyczną z dwóch pomiarów gęstości wykonanych dla tej samej próbki węgla. Wartość gęstości podawano w przeliczeniu na stan suchy, kluczowy z punktu widzenia produktywności komory koksowniczej. Próby koksowania wykonano w doświadczalnej instalacji Karbotest przedstawionej na rys. 4. Odważoną porcję wsadu węglowego (4 kg) zasypywano do stalowej retorty karbonizacyjnej o średnicy wewnętrznej 150 mm i głębokości 850 mm. Następnie retortę wprowadzano do pieca rurowego celem przeprowadzenia koksowania. Proces koksowania przebiegał do momentu osiągnięcia temp. 950 C w osi wsadu. Po Fig. 3. Stand for measuring the bulk density; 1 cylindrical container, 2 valve, 3 cylindrical measurement vessel, 4 tripod, 5 metal tray Rys. 3. Schemat urządzenia do pomiaru gęstości nasypowej węgla; 1 zbiornik cylindryczny, 2 zasuwa, 3 cylindryczny zbiornik pomiarowy, 4 statyw, 5 taca metalowa 2106 93/12(2014)

Testy ubijania mechanicznego przeprowadzono dla mieszanki bazowej C oraz mieszanek C1 i C2. Dla każdej z mieszanek przygotowano pięć wsadów o gęstości ok. 691, 756, 900, 945 i 990 kg/m 3 (w stanie suchym) do skoksowania w instalacji doświadczalnej Karbotest. Zakładany stopień zagęszczenia wsadu osiągano metodą zasypową oraz udarową przy wykorzystaniu instalacji ubijania mechanicznego będącej na wyposażeniu IChPW. W praktyce przemysłowej stosującej metodę wsadu ubijanego stosowane są wsady o gęstości w granicach 900 990 kg/m 3. Table 2. Bulk density of coal blends and coke quality indexes of cokes produced with the use of modified particle size distribution of blend A Fig. 4. Experimental coking Karbotest stand Rys. 4. Instalacja doświadczalnego koksowania Karbotest osiągnięciu tej temperatury koks przetrzymywano w retorcie do czasu aż ilość wydzielanego gazu pirolitycznego spadła poniżej 0,5 dm 3 /min. Po wyjęciu i wychłodzeniu retorty otrzymany koks poddawano ocenie wskaźników technologicznych w teście NSC (Nippon Steel Corporation). Jakość koksu wytworzonego w instalacji Karbotest oceniano na podstawie wartości wskaźników wyznaczonych w teście NSC, uznawanym za najbardziej przydatny w ocenie wysokotemperaturowych właściwości koksu wielkopiecowego, gdyż symuluje zachowanie się koksu w strefie wysokich temperatur wielkiego pieca, w której reakcja zgazowania koksu ditlenkiem węgla jest jednym z czynników odpowiedzialnych za degradację jego ziaren. W teście NSC wyznaczano reakcyjność CRI oraz wytrzymałość CSR. Wskaźniki NSC oceniano na podstawie normy PN-C-04312: 1996 lub ISO 18894:2006. Niepewność rozszerzona oznaczeń (na poziomie ufności równym 95%) w akredytowanym laboratorium IChPW wynosiła odpowiednio CRI ±0,7, CSR ±1,3 oraz CRI ±0,5, CSR ±1,1. W celu określenia wpływu operacji podsuszania wsadu węglowego na jakość koksu wykonano testy koksowania bazowej mieszanki węglowej przy różnej zawartości wilgoci (10,9%, 8,1%, 6,3% i 4,4%). Mieszanka węglowa była podsuszana na powietrzu, a jej właściwości koksotwórcze pozostały niezmienione. W celu określenia wpływu dodatku emulsji smołowo-wodnej do mieszanki wsadowej na wartości parametrów jakościowych koksu wykonano testy koksowania mieszanki A bez dodatku emulsji oraz z dodatkiem emulsji w ilości 2, 3 i 4%. Emulsję smołowo-wodną przygotowano na bazie koksowniczej smoły produkcyjnej i surowej wody amoniakalnej. Do wytworzenia emulsji zastosowano wysokoobrotowy homogenizator laboratoryjny. Smołę i wodę amoniakalną emulgowano w stosunku molowym 1:1. Wpływ zróżnicowanego uziarnienia mieszanki węglowej, a tym samym jej zmiennej gęstości nasypowej, na parametry jakościowe koksu oceniono na podstawie wyników testów koksowania mieszanki bazowej A o składzie ziarnowym stosowanym w przemyśle (próbka 1) i sześciu próbkach o zmodyfikowanych składach ziarnowych (próbki 2 7), które uszeregowano wg malejącego stopnia rozdrobnienia (klasa < 3,15 mm, %) (tabela 2). Zawartość wilgoci całkowitej we wszystkich mieszankach przeznaczonych do procesu koksowania wynosiła 10%. Badania wpływu operacji częściowego brykietowania wsadu wykonano dla mieszanek B, B1, B2 (o wzrastającym udziale węgli typu 34) i D (tabela 1). Brykiety wytwarzane były z ubogiej mieszanki, zawierającej 50% węgla typu 34 (D), za pomocą brykieciarki laboratoryjnej firmy Komarek. Brykiety dodawano do wsadów w równym udziale wynoszącym 30%. Następnie przeprowadzano testy koksowania mieszanek w doświadczalnej instalacji Karbotest oraz określono jakość otrzymanego koksu. 93/12(2014) Tabela 2. Gęstości nasypowe mieszanek węglowych oraz parametry jakościowe koksu otrzymanego poprzez modyfikacje składu ziarnowego mieszanki bazowej A Nr próbki 1 2 3 4 5 6 7 Klasa < 3,15 mm, % 80,4 69,7 54,9 53,2 45,0 43,1 27,8 Klasa < 0,5 mm, % 39,9 40,7 22,4 20,6 22,0 12,3 13,2 d śr, mm * 1,95 2,46 3,44 3,51 4,06 4,20 5,24 ρ (stan suchy), kg/m 3 754 773 783 802 803 786 766 CRI, % 30,4 28,6 28,3 26,6 26,2 27,4 29,3 ΔCRI, % ** - -1,8-2,1-3,8-4,2-3,0-1,1 CSR, % 55,3 58,7 59,1 61,8 63,4 61,3 56,2 ΔCSR, % ** - 3,4 3,8 6,5 8,1 6,0 0,9 *Średnia ważona na podstawie pełnej analizy sitowej; **zmiana liczona w stosunku do wartości oznaczonych dla próbki wyjściowej (próbka nr 1). Wyniki badań i dyskusja W tabeli 3 i na rys. 5 zestawiono wyniki badania wpływu podsuszenia na jakość koksu. Zmniejszenie zawartości wilgoci powodowało znaczący wzrost gęstości nasypowej wsadu. Maksymalny odnotowany przyrost gęstości wyniósł 71 kg/m 3, co stanowiło ok. 10,9 kg/m 3 na każdy 1% obniżenia zawartości wilgoci. Zgodnie z oczekiwaniami wzrost gęstości wsadu wpłynął korzystnie na wskaźniki jakości otrzymanego koksu, w szczególności na CSR. Poprawę odnotowano już przy obniżeniu wilgotności wsadu do 8,1% (ΔCSR = 1,7%). Wynikiem dalszego spadku wilgotności wsadu do 6,3 i 4,4% była poprawa wskaźnika CSR o ΔCSR odpowiednio 3,3 i 4,9%. Odnotowano także niewiel- Table 3. Results of blend A coking tests with various moisture content Tabela 3. Wyniki testów koksowania mieszanki bazowej A o różnej zawartości wilgoci Zawartość wilgoci we wsadzie węglowym, % 10,9 8,1 6,3 4,4 ρ (stan suchy), kg/m 3 705 711 731 776 CRI, % 31,7 31,3 31,0 30,4 CSR, % 49,1 50,8 52,4 54,0 Fig. 5. Relationship between coke quality indexes (CRI and CSR) and moisture content in the coal charge Rys. 5. Zależność reakcyjności CRI i wytrzymałości poreakcyjnej CSR koksu od zawartości wilgoci 2107

ką poprawę wskaźnika reakcyjności koksu (ΔCRI = -1,3%). Operacja podsuszania wsadu węglowego wpłynęła pozytywnie zarówno na gęstość nasypową wsadu, jak i na jakość otrzymanego koksu, a uzyskane tendencje zmian były zgodne z danymi literaturowymi 5, 11, 30 36). Uzyskana poprawa wskaźnika CSR o ΔCSR = 4,9% sugeruje, że operacja podsuszania wsadu ma duży potencjał i w skali przemysłowej może pozwolić na zwiększenie udziału węgli typu 34 we wsadzie węglowym bez pogorszenia jakości koksu. Świadczą o tym także pozytywne efekty uzyskane w skali półtechnicznej (piec 400 kg) dla mieszanek o składzie zbliżonym do stosowanego w niniejszych badaniach 5). Wyniki testów koksowania mieszanki węglowej preparowanej emulsją smołowo-wodną przedstawiono w tabeli 4 oraz na rys. 6. Nawet niewielki dodatek emulsji smołowo-wodnej (2 3%) wpływał pozytywnie na gęstość nasypową wsadu. Dla 2-proc. dodatku odnotowano przyrost 15 kg/m 3, a dla 3-proc. 9 kg/m 3. Po przekroczeniu tej ilości gęstość wsadu zmniejszyła się i dla 4-proc. udziału emulsji przyrost wyniósł jedynie 2 kg/m 3. Dodatek emulsji spowodował niewielkie zmiany wskaźników jakości koksu. Dla dodatku 3% wskaźnik CRI uległ obniżeniu (ΔCRI = 1%), a wskaźnik CSR wzrósł (ΔCSR = 2,1%). Na podstawie tych wyników trudno było wyciągać jednoznaczne wnioski, jednak zastosowanie tej techniki w większej skali poprawiało wskaźnik CSR o ΔCSR 1 3% 47, 48). Table 4. Results of blend A coking tests with various addition of water-coal tar emulsion Tabela 4. Wyniki testów koksowania mieszanki bazowej A z różną wielkością dodatku emulsji smołowo-wodnej Udział emulsji smołowo-wodnej w mieszance, % 0 2 3 4 ρ (stan suchy), kg/m 3 711 726 720 713 CRI, % 31,3 31,8 30,3 32,2 CSR, % 50,8 51,2 52,9 49,1 w trakcie załadunku do komory koksowniczej łatwiej pokonywały opory wynikające z istniejących mostków wodnych oraz sił tarcia wewnętrznego, co prowadziło do lepszego upakowania wsadu. Przyrost gęstości wsadu był obserwowany do momentu wzrostu średniego wymiaru ziarna mieszczącego się w przedziale 3,51 4,06 mm (próbki nr 4 i 5). Dla tych próbek uzyskano przyrost gęstości o odpowiednio 48 i 49 kg/m 3. Stopień rozdrobnienia tych próbek znacznie odbiegał od stosowanego w praktyce przemysłowej. Próbka nr 4 charakteryzowała się 53,2-proc. udziałem klasy < 3,15 mm przy bardzo małej zawartości frakcji pyłowej < 0,5 mm (20,6%). W próbce 5 klasa < 3,15 mm stanowiła 45% składu, a klasa < 0,5 mm 22%. Dalsze obniżanie stopnia przemiału (i związany z tym wzrost średniego rozmiaru ziarna) spowodowało ponowne zmniejszenie się gęstości nasypowej wsadu. Wynika to z faktu, że wraz ze wzrostem średniego wymiaru ziarna zaczynało brakować drobniejszej frakcji mającej za zadanie wypełniać puste przestrzenie tworzące się między grubymi ziarnami tworzącymi szkielet konstrukcyjny wsadu. Zgodnie z oczekiwaniami, wzrost gęstości nasypowej wsadu spowodował poprawę wskaźników jakościowych koksu, jak obrazują to dane zawarte w tabeli 2 oraz na rys. 7. Największą poprawę parametrów jakościowych odnotowano dla koksu otrzymanego z próbek nr 4 i 5 (ΔCSR odpowiednio 6,5 i 8,1%), które cechowały się największymi gęstościami nasypowymi. Wiadomo, że nadmierna ilość klasy ziarnowej < 0,5 mm niekorzystnie wpływa na wartości wskaźników CRI i CSR koksu 19). Przeprowadzone badania wykazały, że również niedobór drobnych klas ziarnowych, w tym także ziarna < 0,5 mm, prowadził do zmniejszenia upakowania ziaren w zasypywanym wsadzie. Znamiennym tego przykładem są wyniki koksowania próbki nr 4, charakteryzującej się najmniejszą zawartością klasy ziarnowej < 0,5 mm (13,2%) i jednocześnie najmniejszym stopniem rozdrobnienia < 3,15 mm (27,8%). Dla próbki tej odnotowano najmniejszy przyrost gęstości nasypowej (12 kg/m 3 ), a wytworzony koks cechował się wartościami wskaźników CRI i CSR niewiele różniącymi się od tych oznaczonych dla koksu z mieszanki wyjściowej (próbka 1). Największą poprawę wskaźników jakościowych otrzymano dla próbek o uziarnieniu w zasadzie niemożliwym do uzyskania w przemyśle z uwagi na składy ziarnowe węgli dostarczanych z poszczególnych kopalń. Biorąc pod uwagę dość duże wartości stopnia rozdrobnienia wsadu (80 89% zawartości klasy < 3,15 mm) stosowane w krajowych bateriach pracujących w systemie wsadu zasypowego, w świetle uzyskanych wyników wydaje się, że metoda ta ma spory potencjał, a uzyskane wyniki wskazują na celowość podjęcia badań w skali komorowej. Fig. 6. Relationship between coke quality indexes (CRI and CSR) and content of water-tar emulsion Rys. 6. Zależność reakcyjności CRI i wytrzymałości poreakcyjnej CSR koksu od zawartości emulsji smołowo-wodnej Wyniki racjonalizacji uziarnienia wsadu węglowego przedstawiono w tabeli 2 oraz na rys. 7. Zmniejszenie stopnia rozdrobnienia spowodowało znaczący przyrost gęstości nasypowej wsadu. Ziarna węglowe o większym rozmiarze, mające wyższą energię Table 5. Properties of cokes obtained in partial briquetting tests Tabela 5. Właściwości koksów otrzymanych w testach koksowania wsadu częściowo zbrykietowanego Mieszanka B B1 B2 B+30D B1+30D B2+30D ρ (stan suchy), kg/m 3 715 713 712 747 743 750 CRI, % 33 35,6 37,9 32,8 35,5 37,8 CSR, % 49 47 42,2 52 48 45,3 Fig. 7. Relationship between coke quality indexes (CRI and CSR) and coal charge bulk density Rys. 7. Zależność reakcyjności CRI i wytrzymałości poreakcyjnej CSR koksu od gęstości nasypowej mieszanki węglowej Fig. 8. Relationship between coke quality indexes (CRI and CSR) and content of coal type 34 in the blend (briquetting tests) Rys. 8. Zależność reakcyjności CRI i wytrzymałości poreakcyjnej CSR koksu od zawartości węgla typu 34 w mieszance wsadowej (testy brykietowania) 2108 93/12(2014)

Wyniki badań brykietowania wsadu węglowego przedstawiono w tabeli 5 i na rys. 8. Zgodnie z oczekiwaniami wzrost zawartości węgla typu 34 w mieszance wsadowej spowodował wzrost wskaźnika CRI z 33,0% dla mieszanki B zawierającej 10% węgli typu 34 do 37,9% dla mieszanki B2 zawierającej 40% tego typu węgli (ΔCRI = 4,9%). Odnotowano także pogorszenie się wskaźnika CSR koksu (ΔCSR = 6,7%). W przypadku dodawania brykietów zaobserwowano poprawę gęstości nasypowej wsadu. Przyrost ten wynosił 30 38 kg/m 3. W związku ze wzrostem gęstości odnotowano poprawę wskaźnika CSR. W zależności od badanej mieszanki uzyskano ΔCSR 1,0 3,1%. Przyrost odnotowano pomimo sumarycznego wzrostu udziału węgla typu 34 (spowodowanego dodatkiem 30% brykietów wytworzonych z mieszanki o 50-proc. zawartości węgli typu 34) we wsadach częściowo zbrykietowanych. Wskaźnik CRI nie uległ istotnej zmianie. W przypadku częściowego zbrykietowania mieszanek B B2 należałoby się spodziewać jeszcze lepszego efektu. Wyniki przedstawione na rys. 8 wskazały na możliwość zwiększenia zawartości węgli typu 34 z 10% (mieszanka B) do 32,5% (mieszanka B1+30D) bez istotnych zmian wartości CSR. Podobną relację zaobserwowano w przypadku wskaźnika CRI. W tym przypadku możliwe było zwiększenie udziału węgla gazowo-koksowego z 10% (B) do 22% (B+30D) bez istotnych zmian wskaźnika CRI, który oscylował wokół 33%. Wyniki badań mechanicznego ubijania wsadu węglowego zostały zaprezentowane w tabeli 6 oraz na rys. 9 i 10. Wzrost gęstości wsadu z poziomu odpowiadającemu systemowi zasypowemu do poziomu uzyskiwanego w systemie ubijanym spowodował niewielkie obniżenie się wskaźnika CRI, z wyjątkiem mieszanki C z 20-proc. udziałem węgla typu 34, w przypadku której nie zaobserwowano istotnych zmian wartości CRI (dla największej gęstości zaobserwowano nawet niewielki jej wzrost). Bardziej istotne zmiany zaobserwowano w przypadku wskaźnika CSR. Dla wszystkich testowanych mieszanek uległ on znaczącej poprawie. W zależności od badanej mieszanki przyrost wartości wskaźnika CSR wynosił 5,8 12,5%. Jedynie w przypadku mieszanki C i największej gęstości nie odnotowano jego zmiany w stosunku do gęstości wyjściowej. Na podstawie danych przedstawionych Table 6. Properties of cokes stand (Karbotest) Tabela 6. Właściwości koksów otrzymanych w testach ubijania wsadu Gęstość wsadu, kg/m 3 691 756 900 945 990 C CRI, % 34,3 34,9 34,1 34,4 36,4 CSR, % 46,6 49,3 52,4 51,8 46,6 C1 CRI, % 38,6 36,1 36,6 36,1 36,2 CSR, % 38,2 46,1 48,8 51,2 50,7 C2 CRI, % 39,0 38,8 36,9 37,3 37,1 CSR, % 40,3 40,0 49,0 47,6 49,9 Fig. 10. Relationship between CSR and content of coal type 34 in the blend (stamping tests) Rys. 10. Zależność wytrzymałości poreakcyjnej CSR od zawartości węgla typu 34 w mieszance wsadowej (testy ubijania) na rys. 9 można było stwierdzić, że wzrost zawartości węgla typu 34 w mieszance wsadowej prowadził do wzrostu reakcyjności koksu. Zastosowanie systemu ubijanego pozwoliło na uzyskanie zbliżonej jakości koksu (CRI 35 37%) jak dla mieszanki C (20% węgla typu 34) otrzymanej z mieszanki C2 zawierającej 40% węgla typu 34. Próbki koksu otrzymane z mieszanki C2 o gęstości odpowiadającej systemowi ubijanemu charakteryzowały się wartością wskaźnika CSR zbliżoną do wartości tego wskaźnika dla próbki koksu z mieszanki bazowej C koksowanej w systemie zasypowym (CSR 48 50%). Wzrost gęstości wsadu z poziomu odpowiadającemu wsadowi zasypowemu do poziomu stosowanego w systemie ubijanym prowadził zatem do znaczącej poprawy wskaźnika wytrzymałości koksu CSR. Obserwowano także niewielką poprawę wskaźnika CRI. Porównanie wyników skuteczności różnych metod zwiększania gęstości wsadu przedstawiono na rys. 11. Zgodnie z oczekiwaniami i doniesieniami literaturowymi najkorzystniejsze efekty jakościowe (ΔCSR o 9,6%) uzyskano przy zastosowaniu metody ubijania mechanicznego. Wskaźnik CRI uległ obniżeniu o ok. 1,8%. Mniejszą poprawę przyniosło zastosowanie racjonalnego doboru uziarnienia (CSR wzrósł o 8,1%, a CRI = 4,2%). W przypadku racjonalizacji uziarnienia najlepsze wyniki uzyskano dla próbek o składach ziarnowych niemożliwych do uzyskania w skali przemysłowej, chociażby ze względu na uziarnienie węgli pochodzących z dostaw z poszczególnych kopalń oraz wyposażenie wydziałów przygotowania węgla w koksowniach 26). Bardzo dobry efekt przyniosło podsuszanie wsadu (ΔCSR = 4,9%, a ΔCSR = 1,3%). Nieco gorsze wyniki uzyskano, stosując częściowe brykietowanie (ΔCSR = 2,4%). W przypadku częściowego brykietowania porównywano jakość koksu pomiędzy mieszankami wyjściowymi a częściowo zbrykietowanymi mieszankami o zwiększonej zawartości części lotnych. Wydaje się zatem, że w przypadku częściowego brykietowania mieszanek wyjściowych uzyskana poprawa byłaby większa. Zmiana bezwzględna, % 12 10 8 6 4 2 0-2 -4 1 2 3 4 5 Fig. 9. Relationship between CRI and content of coal type 34 in the blend (stamping tests) Rys. 9. Zależność reakcyjności CRI od zawartości węgla typu 34 w mieszance wsadowej (testy ubijania) 93/12(2014) Zmiana CRI, % Zmiana CSR, % Fig. 11. Effect of selected techniques of coal charge preparation on the coke quality Rys. 11. Wpływ wybranych operacji przygotowania wsadu na gęstość wsadu i wskaźniki jakościowe koksu 2109

Najmniejszy efekt dała preparacja wsadu emulsją smołowo-wodną (CSR wzrósł o 2,1%). Efekty preparacji mieszanek wsadowych nie ograniczały się tylko do zmiany parametrów jakościowych koksu, lecz również znacząco wpływały na gęstość nasypową wsadu, a co za tym idzie na wydajność baterii koksowniczej. Podsumowanie i wnioski Przeprowadzone badania pozwoliły na określenie wpływu różnych metod preparacji wsadu na jakość (parametry CSR i CRI) otrzymanego koksu. Przedmiotem badań były mieszanki sporządzone z krajowych węgli koksowych umożliwiających wyprodukowanie koksu wielkopiecowego. Stosowano racjonalizację uziarnienia, podsuszanie, preparację emulsją smołowo-wodną oraz mechaniczne metody zagęszczania (częściowe brykietowanie, ubijanie). Wykazano, że każda z zastosowanych metod preparacji wsadu węglowego prowadziła do wzrostu gęstości wsadu oraz jakości otrzymanego koksu. Zastosowanie wybranych technik preparacji wsadu umożliwia zwiększenie udziału tańszych węgli w mieszance wsadowej przy zachowaniu stałej jakości koksu. Największą poprawę jakości koksu i ekonomiki produkcji przyniosły metody wymagające najwyższych nakładów inwestycyjnych, takie jak ubijanie mechaniczne. Zastosowanie ubijania wiąże się z budową nowej baterii koksowniczej, co z punktu widzenia zakładów koksowniczych wyposażonych w kilku- lub kilkunastoletnie baterie systemu zasypowego w zadowalającym stanie techniczno-technologicznym nie jest ekonomicznie uzasadnione. Dlatego alternatywą dla budowy nowej baterii jest zastosowanie odpowiedniej metody preparacji wsadu, umożliwiającej poprawę efektywności produkcji dla instalacji już istniejących. Najkorzystniejszą metodą wydaje się być podsuszanie wsadu, które dotychczas nie znalazło zastosowania w krajowym koksownictwie. Główną przeszkodą we wdrożeniu tej technologii są dość wysokie koszty inwestycyjne, dopasowanie się do istniejącej infrastruktury oraz obawa przed potencjalnymi problemami eksploatacyjnymi. Doświadczenia azjatyckie (Japonia, Korea Płd.) wskazują jednak, że może być ona z powodzeniem stosowana. Ciekawą alternatywą może być częściowe brykietowanie wsadu węglowego, wymagające nieco mniejszych nakładów inwestycyjnych i potencjalnie mniej kłopotliwe pod względem technicznym i eksploatacyjnym. Uzyskane wyniki badań są zbieżne z doniesieniami literaturowymi 37, 39, 40), a pozytywne doświadczenia koksowni zagranicznych oraz krajowy dorobek badawczo-rozwojowy 41 43) dotyczący metody częściowego brykietowania wsadu sprawiają, że technika ta wydaje się być atrakcyjna i stanowi ciekawą alternatywę dla operacji podsuszania wsadu. Za wdrożeniem tej technologii przemawiają pozytywne doświadczenia koksowni zagranicznych oraz spory krajowy dorobek badawczorozwojowy. Wydaje się, że spory potencjał ma także metoda racjonalizacji uziarnienia, która również wymaga pewnych nakładów inwestycyjnych (przesiewacze, separatory pneumatyczne, nowoczesne młyny). Obniżenie stopnia przemiału o ok. 5 10% ziaren < 3,15 mm pozwoli na poprawę wytrzymałości poreakcyjnej o 2 3%. Metodę tę należy uznać za najbardziej perspektywiczną dla krajowych węgli koksowych w bateriach z zasypowym systemem obsadzania. Najmniej skomplikowaną i kosztowną metodą pod tym względem jest olejowanie wsadu, dające jednak najgorsze rezultaty z prezentowanych metod. Ostateczny wybór właściwej techniki preparacji wsadu powinien być poprzedzony kompleksowymi testami w skali przemysłowej i powinien uwzględniać warunki techniczne i ekonomiczne implementacji do istniejącej infrastruktury produkcyjnej. Praca wykonana w ramach projektu kluczowego nr POIG.01.01.02-24-017/08 Inteligentna koksownia spełniająca wymagania najlepszej dostępnej techniki dofinansowanego z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. Otrzymano: 12-11-2014 LITERATURA 1. A. Strugała, Rola czynników surowcowych oraz technologicznych w procesie formowania się porowatej struktury koksu, Wyd. AGH, Kraków 2006. 2. K.H. Großpietsch, H.B. Lüngen, Cokemaking Intern. 2001, nr 1, 54. 3. G.S. Ukhmyłova, Koks Khim. 2005, nr 10, 41. 4. Yu.A. Zolotukhin, N.S. Andreichikov, Ya.B. Kukolev, Koks Khim. 2009, nr 3, 25. 5. W. Latocha, W. Kaczmarek, A. Strugała, P. Żarczyński, Polityka Energ. 2011, 14, 215. 6. A. Karcz, A. Strugała, Miner. Resour. Manage. 2008, 24, 5. 7. A. Mianowski, Zesz. Nauk. Politechniki Śląskiej 1986, z. 115. 8. M. Rejdak, R. Wasielewski, Physicochem. Probl. Miner. Process. 2015, 51, 151, DOI:10.5277/ppmp150114 9. A. Czaplicki, M. Janusz, Coke Chem. 2012, 55, 366. 10. A. Karcz, G. Winnicka, Karbo 2001, 46, 204. 11. R. Loison, P. Foch, A. Boyer, Coke. Quality and production, Butterworths, London 1989, 353. 12. Praca zbiorowa, Koksownictwo (red. H. Zieliński), Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1986, 157. 13. B. Tora, P. Pasiowiec, J. Boryczko, Mat. Konf. KOMEKO 2008, Gliwice 2008. 14. A. Czaplicki, D. Kowol, K. Burak, Karbo 2011, nr 4, 250. 15. T. Vander, Mat. 3-rd Intern. Cokemaking Congress, Gent 1996, 28. 16. I.N. Nikitin, Koks Khim. 1997, nr 4, 14. 17. M.K. Sharama, A.J. Chaudhuri, S. Prasad, Coal Preparation 2007, 27, 57. 18. A.B. Danilov, G.S. Verdibozhenko, M.A. Solovev, A.A. Karpo, S.I. Trubnikov, I.D. Drozdnik, D.V. Miroshnichenko, V.M. Ladyzhinskii, O.N. Serbin, A.V. Sytnik, Uglekhim. Zhurn. 2010, nr 1-2, 3. 19. M. Kosewska, K. Wróbelska, Karbo 2001, nr 10, 350. 20. A.Ya. Eremin, Ya.B. Kukolev, R.R. Gilyazetdinov, L.A. Makhortova, Yu.V. Stepanov, Koks Khim. 2008, nr 7, 7. 21. H. Erasmus, 4-th European Coke and Ironmaking Congress Proceedings, Paryż 2000. 22. Yu.M. Posokhov, V.I. Sukhorukov, K. Czen, Koks Khim. 2006, nr 7, 5. 23. O. Kerkkonen, Mat. 5-th European Coke and Ironmaking Congress, t. 2, Sztokholm 2005. 24. A.L. Borisenko, N.I. Avilova, M.I. Bliznyukova, T.P. Smirnova, Uglekhim. Zhurn. 2008, nr 3-4, 71. 25. M.A. Diez, R. Alvarez, M. Sirgado, H. Marsh, ISIJ Intern. 1991, 31, 449. 26. S. Nomura, T. Arima, K. Kato, Fuel 2004, 83, 1771. 27. A. Furosawa, T. Nakagawa, Y. Meano, I. Komaki, Iron Steel Inst. Japan Intern. 1998, 38, 12. 28. M. Rejdak, G. Nowicki, J. Mytych, Karbo 2012, 1, 44. 29. A. Czaplicki, Karbo 2007, nr specjalny, 47. 30. A. Tramer, M. Kosewska, K. Wróbelska, A. Sobolewski, Mat. I ćesko-polského uhelného sympozia, Ostrawa (Czechy) 2001, 41. 31. P.J. Turczenko, Koks Khim. 1961, nr 12, 10. 32. K.G. Beck, Glückauf 1964, 15, 839. 33. I. Kurunov, P. Lizogub, O. Golubev, Coke Chem. 2010, 53, 339. 34. V.G. Zaszkvara, Koks Khim. 1967, nr 7, 10. 35. S. Nomura, T. Arima, K. Kato, Fuel 2004, 83, 1771. 36. J. Holub, Paliva 1963, nr 8, 249. 37. J. Zawistowski, Mat. VIII Konf. Naukowo-Technicznej Nowe technologie w koksownictwie, 1988, t. 2, część I, s. 41. 38. P. Wasilewski, E. Kobel-Najzarek, Chemiczna przeróbka węgla kamiennego, skrypt Politechniki Śląskiej, nr 704, Gliwice 1977. 39. A.A. Zhuravskij, E.I. Toryanik, I.G. Kryshen, Koks Khim. 1999, nr 12, 16. 40. G.S. Ukhmylova, Koks Khim. 2007, nr 5, 41. 41. Prace niepublikowane IChPW (1.3.2/81-86, 1.3.3/83-86, 1.02/87-90). 42. P. Dybała, P. Wasilewski, A. Mianowski, Koks Smoła Gaz 1987, nr 10, 227. 43. Z. Butkiewicz, R. Cieślar, P. Dybała, A. Mianowski, R. Morawski, F. Wanecki, P. Wasilewski, J. Zawistowski, S. Zbrojkiewicz, H. Zieliński, Sposób wytwarzania brykietów dla celów koksowniczych, Pat. pol. nr 137 378 (1987). 44. R. Cieślar, J. Zawistowski, Koks Smoła Gaz 1984, nr 4, 89. 45. R. Wright, F. Schucker, R. Kim, Illawarra Coke Company 5th European Iron &Cokemaking Conf., Sztokholm 2005. 46. L. Gekker, Y. Mamuta, Coke Chem. 1973, nr 6, 13. 47. A. Czaplicki, M. Janusz, Karbo 2014, nr 1, 41. 48. D. Gajic, DMT Investigation report. DMT working program DC1201, 2012. 2110 93/12(2014)