Rozdział 6

6          Zakłady koksownicze

Piroliza węgla to ogrzewanie węgla w atmosferze nieutleniającej z wytwarzaniem gazów, cieczy i stałej pozostałości (zwęgleń lub koksu). Piroliza węgla w wysokich temperaturach jest nazywana uwęglaniem (koksowaniem – przyp. tłum.). W tym procesie spaliny mają zwykle temperaturę 1150–1350ºC i ogrzewają przeponowo węgiel do 1000–1100ºC przez 14–24 godzin. W wyniku tego procesu powstaje koks wielkopiecowy lub koks odlewniczy. Koks jest głównym środkiem redukującym w wielkim piecu i nie może być w całości zastąpiony przez inne paliwa takie, jak węgiel. Koks spełnia rolę zarówno materiału nośnego, jak i złoża, przez które przepływają strumienie gazu.

Na koks mogą być przetwarzane tylko niektóre gatunki węgla, na przykład węgle koksujące i bitumiczne, charakteryzujące się odpowiednimi własnościami plastycznymi i, jak w przypadku rud, kilka rodzajów węgla może być mieszanych, aby poprawić wydajność wielkiego pieca, wydłużyć czas pracy baterii koksującej, itp.

6.1        Stosowane procesy i techniki

Podstawowa konstrukcja nowoczesnych pieców koksowniczych została opracowana w latach czterdziestych. Piece miały długość około 12m, wysokość około 4m i szerokość około 0,5m i były wyposażone w drzwi z obydwu stron. Powietrze wchodzące było wstępnie podgrzewane przez gorący gaz wylotowy; odzysk ciepła odpadowego umożliwiał otrzymanie wyższych temperatur i zwiększał szybkość koksowania. Od lat czterdziestych proces był mechanizowany i jakość materiałów konstrukcyjnych ulegała polepszeniu bez znaczących modyfikacji konstrukcji. Aktualnie pracujące zespoły mogą zawierać do 60 pieców o długości 14m i wysokości 6m. Ze względu na wymianę ciepła szerokości pozostały na poziomie 0,3 – 0,6m. Każdy piec w baterii koksowniczej mieści do 30 ton węgla. Bateria taka została przedstawiona na rysunku 6.1. W niektórych ostatnio budowanych zakładach koksowniczych wymiary te są jeszcze większe. Na przykład, komory nowego zakładu koksowniczego „Kaiserstuhl”, który został oddany do eksploatacji pod koniec 1992 roku, mierzą 18m długości, 7,6m wysokości i 0,61m szerokości i mają pojemność około 65 ton węgla [Schönmuth, 1994].

Rysunek 6.1: Zdjęcie baterii koksowniczej przedstawiające komory, wieżę węglową i kolektor gazu koksowniczego

Postęp, jaki obserwuje się w ostatnich latach dotyczy w szczególności minimalizacji emisji zanieczyszczeń z procesów koksowniczych i poprawy warunków pracy operatorów urządzeń.

Proces wytwarzania koksu może być podzielony na:

• dostarczanie węgla,

• operacje w baterii (zasyp węgla, ogrzewanie/opalanie, koksowanie, wypychanie koksu, gaszenie koksu),

• transport koksu i przygotowanie,

• odbiór i oczyszczanie gazu koksowniczego z odzyskiem produktów ubocznych.

Aby jaśniej przedstawić opis oczyszczania ścieków, w tym miejscu opisano również przepływ strumieni wody w procesie koksowania.

Rysunek 6.2 przedstawia uproszczony schemat całej sekwencji operacji i procesów potrzebnych do wyprodukowania koksu (wskazując także źródła emisji). Wymienione tu główne etapy poniżej zostaną opisane bardziej szczegółowo.

Rysunek 6.2: Typowy schemat technologiczny zakładu koksowniczego z zaznaczeniem źródeł emisji - [UK Coke,1995]

6.1.1        Dostarczanie węgla

Operacja dostarczania węgla obejmuje następujące etapy:

- rozładunek węgla; węgiel jest rozładowywany ze statków lub wagonów kolejowych na układy transporterów lub na plac składowy. Zwykle stosuje się duże dźwigi z chwytakami. Wiatr może spowodować emisje pyłu węglowego.

- składowanie węgla; zakłady koksownicze zwykle posiadają składowiska węgla o dużych powierzchniach. Wiatr może wywołać emisje pyłu węglowego. Należy zwrócić uwagę na prawidłowe oczyszczanie (sedymentację) odcieków.

- transport węgla; transport węgla następuje za pomocą przenośnika; należy rozważyć możliwe punkty przeładunkowe poza budynkami oraz transport drogowy.

- przygotowanie węgla; przygotowanie węgla obejmuje mieszanie warstwowe, mieszanie w zbiorniku i kruszenie, które może prowadzić do emisji pyłów. Podczas mieszania mogą być dodane substancje zawracane do obiegu koksowania, takie jak smoła, co może prowadzić do emisji lotnych związków.

- napełnianie wieży węglowej (może wystąpić emisja pyłu węglowego)

- napełnianie wozu zasypowego (może wystąpić emisja pyłu węglowego).

6.1.2        Operacje w baterii koksowniczej

Operacje w  baterii koksowniczej obejmują:

-          zasyp węgla

-          nagrzewanie/opalanie komór

-          koksowanie

-          wypychanie koksu

-          gaszenie koksu

Operacje te są głównym źródłem emisji zanieczyszczeń z koksowni. Dlatego też w tym miejscu przedstawiono bardziej szczegółowe informacje na ich temat, łącznie z informacjami dotyczącymi źródeł emisji zanieczyszczeń. Rysunek 6.3 przedstawia schemat baterii i pokazuje główne źródła emisji.

1 zasyp pieców             

2 rura odciągowa                           

3 drzwi pieca i drzwi wyrównywacze

4 wypychanie koksu                     

5 wóz gaśniczy              

6 zrzutnia koksu, transport, sortowanie koksu

7 gaszenie koksu                           

8 komin spalin z komory grzewczej 

Rysunek 6.3: Schemat baterii koksowniczej z uwzględnieniem  głównych źródeł emisji

6.1.2.1       Zasyp węgla

Istnieją liczne techniki zasypu pieców koksowniczych rozdrobnionym węglem (70 – 85 % pyłu o średnicy <3mm) przez otwory zasypowe. Najbardziej powszechną techniką jest zasyp grawitacyjny za pomocą wozów zasypowych (rysunek 6.4). Operacja ta może być zasypem jednoczesnym, sekwencyjnym lub etapowym realizowanym przez poziome podajniki ślimakowe o regulowanej prędkości lub obrotnice. Możliwe jest również zastosowanie innych systemów. Bez względu na system, przepływ strumienia węgla musi być utrzymywany pod kontrolą. Dla wszystkich tych systemów podano ogólne środki zaradcze. Celem zastosowania tych środków jest osiągnięcie „bezdymnego” procesu zasypu (zasyp ze zredukowanymi emisjami).

Zasyp z wykorzystaniem rurociągu lub ładowanie metodą ubijania jest stosowany rzadko. Konstrukcja i geometria otworów zasypowych i systemów jest bardzo ważnym elementem przy redukcji emisji powstających przy załadunku.

W ramach procesu należy wyróżnić emisje związane z:

•              samym procesem zasypowym,

•              usuwaniem i czyszczeniem gazów powstających w procesie zasypowym,

•              emisjami z drzwi wyrównawczych podczas wyrównywania węgla za pomocą drąga wyrównującego,

•              emisjami niezorganizowanymi z materiału rozsypanego na pomoście pieca.

W zależności od konfiguracji zakładu można zastosować jedną lub połączenie kilku technik.

Rysunek 6.4: Schemat procesu zasypu węglem komory pieca koksowniczego przy zastosowaniu wozu zasypowego wskazujący punkty emisji (zaznaczone strzałkami)

6.1.2.2       Nagrzewanie/ opalanie komór

Pojedyncze komory pieca koksowniczego są oddzielone przez ściany grzewcze. Ściany te składają się z szeregu kanałów grzewczych z dyszami doprowadzającymi paliwo i z jedną lub większą liczbą skrzynek wlotu powietrza, w zależności od wysokości ściany pieca koksowniczego. Średnia temperatura w punkcie dysza – wymurówka, charakteryzująca pracę kanału grzewczego jest zwykle nastawiana na wartość między 1150 i 1350ºC.  Oczyszczony gaz koksowniczy jest zwykle  stosowany jako paliwo, jednakże inne gazy takie, jak (wzbogacony) gaz wielkopiecowy mogą być również stosowane.

Aby polepszyć sprawność energetyczną, bezpośrednio pod piecami są umieszczone regeneratory wymieniające ciepło między spalinami a powietrzem do spalania lub gazem wielkopiecowym. Rysunek 6.5 przedstawia schemat systemu ogrzewania pieca koksowniczego razem z punktami emisji. Jeżeli ściany grzewcze nie są całkowicie gazoszczelne ze względu na pęknięcia (co się często zdarza), wtedy gaz koksowniczy przedostaje się do gazów spalinowych i jest emitowany wraz z nimi przez komin.

Rysunek 6.5: Schemat systemu ogrzewania pieca koksowniczego przedstawiający punkty emisji (zaznaczone strzałkami)

Przedstawione rozwiązanie dotyczy jednostopniowego spalania gazu, podczas gdy najnowocześniejsze zakłady posiadają system spalania wielostopniowego; gaz koksowniczy stosowany jako paliwo jest zwykle przedtem odsiarczany.

6.1.2.3       Koksowanie

Proces koksowania rozpoczyna się bezpośrednio po zasypie węgla. Gaz i wilgoć, które  są wprowadzane z węglem stanowią około 8–11% wsadu. Taki surowy gaz koksowniczy jest wyprowadzany przez rury odciągowe do kolektora. Wysoka wartość opałowa tego gazu sprawia, że po oczyszczeniu (patrz oczyszczanie gazu koksowniczego) może on być stosowany jako paliwo (np. do ogrzewania baterii). Węgiel jest nagrzewany w  układzie nagrzewania/opalania opisanym powyżej i pozostaje  w piecu koksowniczym do momentu osiągnięcia temperatury 1000–1100ºC w środku wsadu.

W zależności od szerokości pieca i warunków ogrzewania, proces koksowania trwa około 14 – 24 godzin. Rysunek 6.6 przedstawia główne źródła emisji z procesu koksowania. Mogą to być emisje przez drzwi, emisje z otworów zasypowych i rur odciągowych, jak również w przypadku pęknięć w ścianach, emisje gazu koksowniczego do gazu nagrzewającego.

Rysunek 6.6: Schemat komory pieca koksowniczego wskazujący możliwe punkty emisji podczas koksowania (zaznaczone przez strzałki)

Z 1000 kg węgla uzyskuje się od 750 do 800 kg koksu i około 325 m³ gazu koksowniczego, co odpowiada około 187 kg. Jednakże należy zauważyć, że ilość otrzymanego koksu i wytworzonego gazu koksowniczego oraz jego skład zależą w dużym stopniu od składu chemicznego węgla i czasu koksowania.

6.1.2.4       Wypychanie koksu i gaszenie

W pełni odgazowany koks jest wypychany z pieca do odbiornika za pomocą tarana wypycharki (rysunek 6.7). Zetknięcie się z tlenem atmosferycznym powoduje jego natychmiastowe zapalenie się. Stosowany odbiornik jest zwykle wozem gaśniczym koksu, który transportuje gorący koks do wieży gaśniczej. Tutaj koks jest gaszony bezpośrednio dużymi ilościami wody. Część wody, która nie wyparuje może być zebrana i wykorzystana w następnym gaszeniu, co zmniejsza ilość odprowadzanych ścieków z koksowania.

Rysunek 6.7: Wypychanie wyżarzonego koksu z pieca koksowniczego do wozu gaśniczego. Punkty emisji są wskazane strzałkami.

W systemie alternatywnym, znanym jako gaszenie na sucho, wóz gaśniczy transportuje gorący koks do pionowej komory gaśniczej. Obojętny gaz gaśniczy cyrkuluje wewnątrz komory, która jest odizolowana od atmosfery, co zapobiega spalaniu się koksu podczas jego chłodzenia. Gaz jest chłodzony w wymienniku ciepła w celu odzyskania energii cieplnej.

6.1.2.5       Transport koksu i sortowanie

Po gaszeniu koks jest magazynowany w pryzmach, z których jest transportowany przenośnikami (z punktami przeładunkowymi), transportem drogowym, szynowym  lub kombinacją tych środków transportu. Na końcu koks jest kruszony i sortowany. Drobniejsza frakcja (<20mm) jest zwykle odstawiana do wykorzystania w procesie spiekania, frakcja większa (20–70 mm) jest wykorzystywana w wielkim piecu.

Transport koksu i sortowanie powodują powstawanie emisji pyłów.

6.1.3        Odbiór i oczyszczanie gazu koksowniczego (COG) z odzyskiem produktów ubocznych

Surowy gaz koksowniczy posiada względnie wysoką wartość opałową ze względu na obecność wodoru, metanu, tlenku węgla i węglowodorów. Poza tym surowy gaz koksowniczy zawiera wartościowe produkty takie, jak smoła, olej lekki (głównie składający się z BTX (benzen, toluen i ksyleny)), siarki i amoniaku. Skład surowego gazu koksowniczego przedstawiono w tabeli 6.1. Z kilku przyczyn gaz koksowniczy musi być oczyszczony przed zastosowaniem go jako paliwo.

Legenda: n/d = niedostępne

Tabela 6.1: Skład surowego gazu koksowniczego – wg. [Info Mil , 1997]

Skład gazu koksowniczego zależy od czasu koksowania i składu chemicznego węgla. Podane dane dotyczą węgla w stanie suchym i bezpopiołowym. Zawartość H2S w podanym przykładzie jest względnie wysoka. W innych zakładach mieści się ona w zakresie 3,5 – 4,5 g H2S/Nm³.

Smoła i naftalen w surowym gazie mogą być przyczyną niedrożności orurowania i urządzeń i powinny być usunięte w pierwszej kolejności. Na każdą wyprodukowaną tonę koksu można odzyskać około 35 do 45 kg smoły. Ze smoły można z kolei odzyskać kilka produktów takich, jak pak, olej antracenowy, olej płuczkowy, olej naftalenowy, olej karbolowy (fenol) i olej lekki.

Związki siarki i amoniak powodują korozję orurowania i urządzeń, a same związki siarki są źródłem emisji SO2, gdy gaz koksowniczy jest stosowany jako paliwo. Na każdą tonę wyprodukowanego koksu wytwarzane jest około 3 kg amoniaku i 2,5 kg H2S.

W niektórych przypadkach lekki olej, a szczególnie BTX (benzen toluen ksylen), są odzyskiwane z surowego gazu koksowniczego jako wartościowy produkt uboczny. Na tonę wyprodukowanego koksu można odzyskać do 15 kg lekkiego oleju. Olej taki zawiera benzen, toluen, ksyleny, związki niearomatyczne, homologi aromatyczne, fenol, zasady pirydynowe i inne składniki organiczne takie jak wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA).

Rysunek 6.8 przedstawia typowy zakład oczyszczania gazu koksowniczego. Główne etapy procesu zostaną opisane poniżej.

...