VÝVOJ A TESTOVÁNÍ POLOPROVOZNÍ KOKSOVACÍ JEDNOTKY

Transkript

1 Vývoj a testování poloprovozní koksovací jenotky VÝVOJ A TESTOVÁNÍ POLOPROVOZNÍ KOKSOVACÍ JEDNOTKY Jaroslav Kusý a, Lukáš Aněl a, Karel Ciahotný b, Marcela Šafářová a a Výzkumný ústav pro hněé uhlí a.s., Most; b Vysoká škola chemicko-technologická v Praze kusy@vuhu.cz; anel@vuhu.cz; Karel.Ciahotny@vscht.cz; safarova@vuhu.cz V článku je popsána konstrukce a funkce poloprovozní koksovací jenotky určené ke koksování uhlí a alternativně také k pyrolýze biomasy. Funkce jenotky byla testována při koksování směsi černých koksovatelných uhlí. Na záklaě získaných výsleků byla proveena látková bilance získaných prouktů kapalné organické fáze, voy, pyrolýzních plynů a vzniklého koksu. Bylo také sleováno složení plynu proukovaného v průběhu koksovacího procesu. Dále byly testovány některé vlastnosti vyrobeného koksu a tyto vlastnosti byly porovnány s vlastnostmi koksu vyrobeného v provozní koksovací baterii. Došlo , přijato Úvo V rámci řešení výzkumného úkolu FR-TI 1/170 - Výzkum a vývoj možnosti použití hněého uhlí pro výrobu vysokopecního koksu (poskytovatelem finančních prostřeků pro řešení tohoto úkolu je MPO ČR) byla navržena a zkonstruována poloprovozní koksovací jenotka určená primárně ke koksování uhelných směsí a alternativně také k pyrolýze biomasy. Při konstrukci jenotky, zejména při návrhu rozměrů koksovacích retort, se vycházelo z rozměrů a konfigurace skutečných koksovacích komor používaných v průmyslovém měřítku k výrobě vysokopecního koksu. Cílem bylo oržení vzájemného poměru stran pilotních pyrolýzních retort a průmyslově používaných koksovacích komor a oržení teplotních pomínek běžně používaných při koksovacím procesu výroby koksu z černého uhlí. Konstrukce a konfigurace koksovací jenotky je chráněna Úřaem průmyslového vlastnictví jako užitný vzor číslo Poloprovozní pyrolýzní nebo koksovací vsázková jenotka [1]. 2. Experimentální část Poloprovozní koksovací vsázková jenotka je navržena primárně ke koksovacím testům směsí různých ruhů uhlí. Jenotka má tyto vnější rozměry: šířka 91 cm, výška 76 cm a hloubka 59 cm; vnitřní keramická vyzívka jenotky má tloušťku 15 až 18 cm. Celkový objem vnitřního prostoru jenotky je cca 63 m 3. Jenotka má vě vestavěné keramické topné esky a jenu vyjímatelnou topnou esku vkláanou o vnitřního prostoru jenotky. Všechny topné esky jsou vybaveny elektrickým oporovým topením. Topení v topných eskách má programovatelnou teplotu v rozsahu 20 C až 1200 C s volitelnou rychlostí nárůstu teploty v rozsahu 0,1 C.min -1 až 20 C.min -1. Programování a záznam teploty v peci jsou prováěny softwarově a řízeny připojeným PC s možností nastavení různých teplotních programů. Koksování probíhá ve vou retortách shoných rozměrů ve tvaru kváru o élce 51 cm, výšce 41 cm a šířce 6 cm. Retorty jsou vyrobeny z tepelně stálé nerezové oceli (o teploty 1200 C) o síle stěny 3 mm. Jena koksovací retorta má objem cca 12,5 m 3. Retorty se během koksování nacházejí ve vnitřním prostoru jenotky umístěné vele sebe. Kažá retorta je otápěna ze vou stran keramickými topnými eskami vžy jenou pevně umístěnou eskou a jenou vyjímatelnou topnou eskou společnou pro obě retorty. Systém otopu koksovacích retort (jen ze vou stran) je tak svým uspořááním velmi poobný systému otopu provozních koksovacích komor v koksové baterii. Kažá retorta je shora uzavřena onímatelnou přírubou tvořící strop retorty. V přírubě je potrubí pro ovo těkavých prouktů koksování mimo retortu a ále také vstup pro termočlánek, který prochází přírubou a zasahuje ovnitř uhelného hranolu. Příruba je plynotěsně spojena s retortou pomocí řay šroubů. Těsnost mezi tělem retorty a přírubou zajišťuje těsnění z keramického materiálu stálého o teploty 1200 C. Výstup těkavých prouktů z obou retort je násleně sveen o jenoho potrubí. Karbonizační plyn ocházející z koksovacích retort vstupuje o konenzačního systému, který je tvořen jením nepřímým voním spirálovým chlaičem a třemi násleně zařazenými konenzačními náobami. Voní spirálový chlaič je vyroben z nerezové oceli o rozměrech: výška 73 cm, průměr 9 cm se zapuštěnou vnitřní trubicí o hloubky 64 cm. V kónickém ně je ventil pro vypouštění zkonenzované kapalné fáze, tvořené pyrogenetickou voou a kapalnou organickou fází. Výstup plynu je umístěn v horní části chlaiče, ze kterého je plyn ále veen o první konenzační náoby. Konenzační náoba je vyrobena z nerezové oceli o rozměrech: výška 55 cm, průměr 16 cm a zapuštěnou vnitřní trubicí o hloubky 47 cm. V kónickém ně je ventil pro vypouštění zkonenzované kapalné fáze. Další vě konenzační náoby jsou ientické konstrukce. Plyn zbavený kapalné fáze je ále veen pružným potrubím přes vzorkovací ventil pro oběr vzorků plynu k analýzám o asorpční náoby pro čištění plynu. Asorpční náoba je vyrobena z nerezové oceli o rozměrech: výška 55 cm, průměr 16 cm se zapuštěnou vnitřní trubicí o hloubky 47 cm a je vybavena tlakovou pojistkou. V asorpční náobě je ve výšce cca 14 cm oe na vestavba tvořená sítem o velikosti ok 5 mm. Na síto je volně nasypaný granulovaný asorpční materiál (aktivní uhlí) o celkové výšce vrstvy cca 20 cm a specifickém povrchu S-BET 138

2 Vývoj a testování poloprovozní koksovací jenotky Obr. 1 Blokové schéma poloprovozní koksovací vsázkové jenotky cca 400 až 800 m 2.g -1. Asorpční náoba slouží k ostranění nežáoucích látek, např. sirných sloučenin a k zachycení zbytkového obsahu ehtu. V kónickém ně náoby je ventil pro vypouštění zkonenzované kapalné fáze. Plyn je pomocí pružného potrubí veen přes alší vzorkovací ventil pro oběr vzorků plynů o plynoměru typ BK G4 a přes bezpečnostní uzávěr o hořáku, ke je spalován. Bezpečnostní uzávěr je vyroben z nerezové oceli válcového tvaru o rozměrech: výška 35 cm, průměr 16 cm se zapuštěnou boční přívoní trubicí sahající na no náoby. Výstup plynů je v horní části náoby. Bezpečnostní uzávěr je plněn o výšky 15 cm kamenivem (vápenec) o zrnitosti 2 až 4 cm a je opatřen tlakovou pojistkou. Hořák je vybaven příavným zapalovacím propan-butanovým hořáčkem a pojistkou proti zpětnému prošlehnutí plamene. Celá jenotka je schematicky znázorněna na obr Pomínky a průběh koksování směsí černých uhlí Koksovací proces v koksovací jenotce byl optimalizován na záklaě řay zkušebních testů. Optimální ohřev koksovacích retort byl stanoven pro nárůst teploty v retortě na konečnou teplotu 1000 C během 8 hoin (480 minut), čemuž opovíá teplotní graient 2,03 C.min -1. Poté je topení vypnuto a zařízení se volně chlaí zpět na teplotu okolí. V průběhu koksování je sleována skutečná teplota v koksovací retortě. Obr. 2 vyjařuje skutečný průběh teploty v koksovací retortě v závislosti na čase ve srovnání s teplotou naprogramovanou. Obr. 2 Skutečný teplotní průběh v závislosti na čase v koksovací baterii Proukce plynných prouktů v průběhu koksování uhlí uváěná v literatuře [9] je znázorněna na obrázku 3 a jejich složení je uveeno v tabulce 1. Na záklaě těchto poznatků bylo rozhonuto, že při koksování uhlí v poloprovozní koksovací jenotce buou sleovány také objem a složení vznikajících plynů v závislosti na čase. 139

3 Množství (% hm.) PALIVA 3 (2011), Vývoj a testování poloprovozní koksovací jenotky Koksovací oba (ho.) Obr. 3 Vývoj plynů v čase během koksovacího procesu [9] Tab. 1 Průměrné složení plynů opouštějících koksovací prostor [9] Složka Poíl CO % C n H m * 1-3 % CO 6-9 % H % CH % N % Sulfan 5-10 g/m 3 Amoniak 6-10 g/m 3 Dehet g/m 3 Z toho naftalen 8-12 g/m 3 * - převážně ethen Správná funkce koksovací jenotky byla ověřena při koksování zásypné směsí uhlí používaných pro výrobu vysokopecního koksu, která byla poskytnuta pracovníky Koksovny Třineckých železáren. Směs různých ruhů černých uhlí byla pře koksováním mechanicky hutněna pěchováním v koksovacích retortách na specifickou hustotu 970 kg.m -3. Kvalitativní parametry koksovací směsi černého uhlí a vyrobeného černouhelného koksu jsou uveeny v tabulce 2. K analýzám byly použity normované analytické postupy [2 až 7]. V tabulce 3 jsou uveeny výsleky stanovení výtěžku ehtu, voy, plynu a koksového zbytku při nízkoteplotní karbonizační zkoušce směsi černého uhlí [8]. Toto stanovení bylo proveeno jako orientační (platí pouze pro hněá uhlí a lignity, karbonizační teplota je pouze 520 C) pro zjištění možných objemů vznikajících prouktů. Výsleky bilance prouktů vzniklých při koksování směsi černého uhlí v poloprovozní jenotce jsou shrnuty v tabulce 4. Na obrázku 4 je fotografie koksu vyrobeného v poloprovozní koksovací jenotce a na obr. 5 je znázorněn vývoj plynů v průběhu koksování černého uhlí v této jenotce. Tab. 2 Kvalitativní parametry vstupní směsi černého uhlí a koksu Parametr Uhelná směs Koks Retorta I Retorta II W a % 10,0 0,3 0,3 A % 9,1 12,9 12,6 S t % 0,6 0,4 0,4 S af % 0,7 0,5 0,5 C % 79,1 85,9 85,8 C af % 87,0 98,7 98,1 H % 4,9 0,5 0,4 H af % 5,4 0,5 0,4 N % 1,5 0,9 0,9 N af % 1,6 1,1 1,0 O % 4,8 <0,01 <0,01 O af % 5,3 <0,01 <0,01 V % 26,0 1,3 1,3 V af % 28,7 1,4 1,5 af af MJ/kg -- 29,3 29,4 MJ/kg -- 33,6 33,6 MJ/kg -- 29,2 29,3 MJ/kg -- 33,5 33,5 Tab. 3 Výsleky stanovení výtěžku ehtu, voy, plynu a koksového zbytku při nízkoteplotní estilaci směsi černého uhlí Para-metr Koksovací směs T SK G SK af SK W SK G af SK T SK SKC af af W SK % % % % % % % % 8,75 83,57 1,02 6,66 9,64 81,93 1,13 7,3 Tab. 4 Výsleky bilance prouktů vyrobených v poloprovozní koksovací jenotce (koncová teplota koksování 950 C) Komponenta g Výtěžek % hm. Černouh.koksovací směs Černouhelný koks ,7 Pův. a pyrogenetická voa 947 6,3 Černouhelný ehet ,2 Plyn ,5 Ztráty 2,3 140

4 Vývoj a testování poloprovozní koksovací jenotky Tab. 5 Výsleky rozborů plynů vznikající při procesu koksování černých uhlí Složka po 4 ho. 414 C po 5 ho. 542 C po 6 ho. 677 C po 7 ho. 837 C po 8 ho C % obj. % obj. % obj. % obj. % obj. Voík 26,7 37,1 59,6 68,3 74,0 Kyslík <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 Dusík 0,5 0,4 1,1 2,4 3,2 Oxi uhelnatý 2,0 2,9 4,7 3,4 2,9 Obr. 4 Černouhelný koks vyrobený v poloprovozní koksovací jenotce Methan 47,7 46,1 21,5 9,9 1,7 Oxi uhličitý 4,1 2,9 1,0 0,3 0,1 Ethen 0,5 0,2 0,01 <0,01 <0,01 Ethan 5,7 2,5 0,2 0,01 <0,01 Propen <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 Propan 2,3 1,0 0,04 0,04 0,04 Obr. 5 Skutečný vývoj plynů v závislosti na čase v poloprovozní koksovací baterii 4. Rozbor plynů vznikající v průběhu koksování v poloprovozní koksovací jenotce Oběr vzorků plynů byl prováěn v různých časových itervalech o začátku pokusu o antiifúzních vaků le AO č [10]. Násleně byly oebrané pyrolýzní plyny analyzovány metoou plynové chromatografie (GC) na plynovém chromatografu GC 82TT Labio Praha s vojitým tepelněvoivostním etektorem (TCD). Vyhonocení chromatogramů bylo prováěno pomocí softwaru Chromeleon TM na kalibrační směs Mix GSP B.TTE Sia obsah kyslíku pomocí kalibrace na oezvu kyslíku ze vzuchu. Jako stanar pro určení elučních časů uhlovoíků byla použita kalibrační směs Gas Campione Ricara B.LE Sia. Výsleky rozborů plynů vznikajících při procesu koksování černých uhlí včetně objemu plynů, času oběru a aktuální teploty v retortě jsou uveeny v násleující tabulce Honocení některých vlastností koksu vyrobeného v poloprovozní jenotce Některé vlastnosti koksu vyrobeného v poloprovozní koksovací jenotce byly porovnány s vlastnostmi koksu vyrobeného na Koksovně Třineckých železáren z běžně používané zásypné směsi černých uhlí. U obou koksů byla sleována jejich reaktivita za tepla pomocí proměření termogravimetrické křivky při zahřívání na vzuchu za srovnatelných pomínek. Z průběhu aných křivek je možné oečíst zápalnou teplotu koksu a teplotu, při které je osaženo největší rychlosti hoření (maximum TG křivky převeené o iferenciální pooby). Dále byly v obou přípaech proveeny také rozbory elementárního složení koksů. Výsleky proveených analýz jsou porovnány v tabulce 6. Tabulka 6 Některé vlastnosti koksu vyrobeného v pilotní koksovací jenotce a koksu vyrobeného na Koksovně Třineckých železáren Parametr koks VÚHU koks TŽ Zápalná teplota ( C) Teplota největší rychlosti hoření ( C) C (% hm.) 84,1 85,3 H (% hm.) 0,8 0,4 N (% hm.) 0,9 0,7 S (% hm.) 0,5 0,5 Na obr. 6 je znázorněn průběh termogravimetrických křivek oxiační reakce obou koksů. Obr. 7 pak zobrazuje iferenciální průběh těchto závislostí, z čehož je možné oečíst teploty, při kterých koks hoří maximální rychlostí. 141

5 Vývoj a testování poloprovozní koksovací jenotky Obr. 6 Termogravimetrické křivky koksů z TŽ a VÚHU Obr. 7 Diferenciální termogravimetrické křivky koksů z TŽ a VÚHU 6. Diskuse a závěr Testy vysokoteplotní karbonizace směsi černých koksovatelných uhlí proveené na pilotní koksovací jenotce prokázaly obrou funkci této jenotky a její obrou využitelnost pro testování koksovacích vlastností směsí různých ruhů černých uhlí. V jenotce je možné získat kvalitní černouhelný koks a je možné prováět bilance všech záklaních prouktů koksování a také oebírat vzorky těchto prouktů pro analytické rozbory. Bilance jenotlivých prouktů koksování (koks, pyrogenetická voa, ehet, plyn) proveené po koksování směsi černých uhlí v pilotní koksovací jenotce jsou v soulau s poznatky uváěnými v literatuře [9]. Také zjištěné složení karbonizačního plynu oebraného v různých fázích koksovacího procesu opovíá tomu, co je uváěno v literatuře [11]. Reaktivita koksu vyrobeného ze směsi černých uhlí v pilotní jenotce testovaná metoou termické analýzy na vzuchu je vyšší, než reaktivita koksu vyrobeného v provozní koksovací baterii na Koksovně TŽ. Koks z pilotní jenotky má ve srovnání s koksem z provozní baterie nižší zápalnou teplotu a nižší teplotu max. rychlosti hoření (tey vyšší reaktivitu). Je to patrně způsobeno určitými rozíly v elementárním složení obou koksů, zejména v obsahu reaktivního voíku, který je v koksu z pilotní jenotky o něco vyšší. Složení koksu patrně ovlivňuje kratší koksovací oba v pilotní jenotce (8 ho.) ve srovnání s koksovací obou v provozní baterii, která se blíží až 24 hoinám. Kratší koksovací oba v pilotní jenotce byla zvolena v souvislosti s nižší tloušťkou koksovaného hranolu uhlí v pilotní jenotce (6 cm) ve srovnání s provozní koksovací pecí (cca 40 cm). Výsleky testů však ukázaly, že pro okonalé prokoksování uhelného hranolu je směroatná nejen rychlost jeho ohřevu na konečnou teplotu, nýbrž i koksovací oba. Oplyňování koksu je velice pomalým procesem, kterým lze patrně jen málo ovlivnit výší teploty v koksovací retortě. Rozílná reaktivita koksu v obou přípaech může být způsobena také rozílnými metoami chlazení koksu po ukončení koksování. Koks z provozní baterie je chlazen sprchováním voou, přičemž nejreaktivnější uhlíkové částice za vysoké teploty v první fázi chlazení mají možnost reagovat s voní parou; tím oje ke snížení reaktivity koksu. Koks z pilotní koksovací jenotky byl chlazen samovolně, a proto ze neošlo k otupení reaktivity nejreaktivnějších uhlíkových částic. Tyto poznatky jsou v soulau s informacemi uváěnými v literatuře, ky koks ze suchého chlazení mívá vyšší reaktivitu, než koks hašený voou. Poěkování Daná práce je součástí řešení výzkumného úkolu FR-TI 1/170 - Výzkum a vývoj možnosti použití hněého uhlí pro výrobu vysokopecního koksu. Autoři příspěvku ěkují MPO ČR za poskytnutí finančních prostřeků pro řešení tohoto projektu. Literatura 1. Poloprovozní pyrolýzní nebo koksovací vsázková jenotka Užitný vzor ČSN ISO 562 (441366) Černá uhlí a koks - Stanovení prchavé hořlaviny, Český normalizační institut, ČSN ISO 1928 (441352) Tuhá paliva - Stanovení spalného tepla kalorimetrickou metoou v tlakové náobě a výpočet výhřevnosti, Český normalizační institut, ČSN ISO 687 (441384) - Tuhá paliva - Koks - Stanovení voy v analytickém vzorku pro obecný rozbor, Český normalizační institut, ČSN (441385) - Černouhelný koks. Stanovení popela spálením na vzuchu, Český normalizační institut, ČSN ISO 609 (441354) - Tuhá paliva - Stanovení uhlíku a voíku - Vysokoteplotní spalovací metoa, Český normalizační institut, ČSN ISO 351 (441353) - Tuhá paliva - Stanovení obsahu veškeré síry - Vysokoteplotní spalovací metoa, Český normalizační institut, ČSN ISO 647 (441371) - Hněá uhlí a lignity. Stanovení výtěžku ehtu, voy, plynu a koksového zbytku při nízkoteplotní estilaci, Český normalizační institut, Riel R., Veselý V.: Technologie paliv, SNTL Praha 1962, str. 109 a

6 Vývoj a testování poloprovozní koksovací jenotky 10. Kusý J., Brejcha J., Hautke P.: Antiifuzní vak pro oběr a uchování plynů a vzušnin, autorské osvěčení č , Česká republika Kozina A., Píša M., Šplíchal B.: Koksárenství, SNTL/ALFA, Praha 1973 Seznam symbolů W a A S t C H N V r r T sk G sk W sk sk af Obsah analytické voy Obsah popela v sušině Celkový obsah síry v sušině Obsah uhlíku v sušině Obsah voíku v sušině Obsah usíku v sušině Obsah prchavé hořlaviny v sušině Spalné teplo v sušině Spalné teplo v půvoním materiálu Výhřevnost v sušině Výhřevnost v půvoním materiálu množství ehtu v sušině množství plynu v sušině množství voy v sušině množství polokoksu v sušině v horním inexu - výsleky přepočtené na obsah hořlaviny Summary Jaroslav Kusý a, Lukáš Aněl a, Karel Ciahotný b, Marcela Šafářová a a Výzkumný ústav pro hněé uhlí a.s., Most b ; Vysoká škola chemicko-technologická v Praze Development an testing of the pilot coke-making unit In this article, construction an function of the new semi scale pilot coke-making unit is escribe. This unit was built for the testing of coking process an the pyrolysis of various materials. Functionality of this unit was teste by the coking process of har coal mixtures. Mass balance of coke, pyrolysis water, organic phase an gaseous proucts was complete. Composition of the pyrolysis gas uring the coking process was etermine. Some parameters of prouce coke were teste an compare to common coke mae in the coking plant. 143