آشنایی با فرایند کک سازی

کک ماده ای با کربن بسیار بالا و ناخالصیهای اندک میباشد که به عنوان سوخت به کار میرود.کک ماده ی جامد کربناتی است که از زغالهای بیتومین کم خاکستر و کم گوگرد حاصل میشود.ککی که از زغال حاصل میشود دارای رنگ خاکستری و همچنین سخت و متخلخل است.

البته کک به صورت طبیعی نیز وجود دارد اما بیشترین کک مورد استفاده کک ساخته شده از زغال سنگ توسط انسان است. زغالهای خاصی جهت تولید کک متالورژی به کار میروند و خواص زغال سنگ تعیین کننده ی خواص کک تولیدی است.مواد غیر آلی زغال سنگ موسوم به استریل بوده و در کک به صورت خاکستر باقی می ماند و تاثیراتی بر عملکرد کوره ی بلند می گذارد.وجود خاکستر در کک سبب افزایش مصرف کک و سنگ آهک در کوره ی بلند و کاهش ظرفیت تولید باتریهای کک سازی می شود.

کک متالورژی ماده ای متخلخل است که در کوره ی بلند به کار می رود و یکی از مصارف عمده ی کک در صنایع متالورژیکی می باشد.کک در کوره ی بلند نقشهای مختلف تامین انرژی و احیا کانه های آهن و ایجاد تخلخل برای عبور گازهای احیا کننده و کربوره کردن چدن را دارا می باشد.در کوره  ی کوپل نیز کک به عنوان سوخت و عامل احیا کننده مصرف می شود.لازم به ذکر است که کک در صنایع ریخته گری نیز کاربرد دارد.

کک دارای درصدی از گوگرد و فسفر است.در نتیجه مهمترین عامل ورود گوگرد و فسفر به فرآیند تولید فولاد کک می باشد.گوگرد و فسفر از عناصر مضر در فولادها می باشند.

برای احیای آهن به عاملی نیاز است که اکسیژن را از اکسیدهای آهن جدا نماید.این ماده را عامل احیا می نامند.تمام واکنشهای کوره ی بلند در درجه حرارتهای زیاد که نتیجه ی سوختن کک است انجام می شود.برای عمل احیا و ذوب در کوره ی بلند از کک به دست آمده از زغال سنگ استفاده می شود.از گاز طبیعی و مازوت نیز به مقدار کم به جای کک استفاده می کنند.

قابلیت احیا کنندگی هیدروژن گاز طبیعی خیلی بیشتر از کربن کک است.بنابراین سعی می شود از تزریق گاز طبیعی در کوره ی بلند نیز استفاده شود تا به وسیله ی سوختن آن گاز هیدروژن در کوره ی بلند تولید شود.در کوره های مدرن امروزی از روش تزریق پودر زغال نیز استفاده می شود که این امر مصرف کک را به شدت کاهش می دهد.

چون زغال سنگ دارای استحکام کم و ناخالصی بالا (تقریبا ۳۵%) است نمی تواند کلیه ی شرایط لازم را به عنوان سوخت کوره ی بلند داشته باشد لذا به کک تبدیل می شود تا شرایط لازم (استحکام کافی و درصد پایین ناخالصیها و ارزش حرارتی بالا) برای شارژ در کوره ی بلند را پیدا کند.

تغییراتی که از تبدیل زغال سنگ به کک حاصل می شوند عبارتند از:

1. افزایش درصد کربن و در نتیجه افزایش ارزش حرارتی.

2. بالا رفتن مقاومت در مقابل عوامل مکانیکی از قبیل ضربه و فشار و سقوط و سایش.

3. کاهش ناخالصیهای فرار که در اثر متصاعد شدن گازها و مواد فرار زغال سنگ حاصل می شود

4. افزایش سطح مفید برای سوختن بیشتر که با متخلخل شدن کک تامین می شود.

کک علاوه بر تامین انرژی حرارتی لازم در کوره ی بلند عمل احیا اکسیدهای آهن موجود در سنگ آهن را نیز انجام می دهد.احیا می تواند مستقیما توسط کربن(جلوی فرمهای کوره ی بلند) یا گاز CO2,H2  انجام شود.

ارزش حرارتی کک باید حداکثر و رطوبت آن باید حداقل باشد. (مقدار رطوبت کک بستگی به مدت زمان توقف در برجهای خاموش کننده و نیز مقدار جذب آب در کک دارد.)اگر مقدار رطوبت کک زیاد باشد اثر منفی روی کار کوره ی بلند دارد زیرا از به وجود آمدن یک وضعیت مناسب حرارتی در کوره ی بلند جلوگیری می کند و راندمان کوره پایین می آید.

در حال حاضر در ذوب آهن اصفهان برای خاموش کردن کک از روش تر یا پاشیدن آب سرد روی کک های داغ استفاده می شود و از روش خشک (خاموش کردن به وسیله ی گاز بی اثر یعنی ازت) استفاده نمی شود.با استفاده از روش خشک می توان از مقدار رطوبت کک کم نمود و استحکام آن را افزایش داد و البته از انرژی گاز دمیده شده به کک نیز استفاده کرد.

با توجه به موارد ذکرشده شرایط لازم برای کک مصرفی وره ی بلند عبارتند از:

1. ارزش حرارتی آن نباید کمتر از ۴۰۰۰ کیلوکالری بر کیلوگرم باشد.

2. درصد گوگردش نباید بیش از ۱% باشد.

3. کک باید دارای استحکام کافی باشد.

4. درصد خاکستر آن نباید کمتر از ۱۴%  باشد.

5. مقدار رطوبت موجود در کک بایستی کمتر از ۹% باشد و اندازه ی دانه های کک باید ۵ تا ۸۰ میلی متر باشد.معمولا برای ذوب یک تن آهن خام ۴۵۰-۵۰۰ کیلوگرم کک لازم است که قیمت این مقدار کک ۳۰-۵۰% قیمت یک تن آهن خام است.

6. مواد فرار کمتر از ۱% باشد.

معادن زغال سنگ ایران عبارتند از:

۱٫شرکت زغال سنگ کرمان

۲٫شرکت زغال سنگ البرز مرکزی (زیر آب)

۳٫شرکت زغال سنگ البرز شرقی (شاهرود)

۴٫شرکت زغال سنگ البرز غربی (سنگرود)

۵٫معدن زغال سنگ طبس

برای بررسی استحکام کک تولید شده از واحد کک سازی آزمایش باربان انجام می شود.در این آزمایش مقدار ۵۰ کیلوگرم کک را با دانه بندی بیشتر از ۶۰ میلی متر داخل استوانه ی باربان ریخته و به مدت ۴ دقیقه با سرعت ۲۵ دور در دقیقه می چرخانند.سپس ککها را از داخل باربان خارج کرده و از سرندهای ۱۰و۴۰ میلی متر (سرندها دارای سوراخهای دایره ای به قطر ۴۰ میلی متر یا ۱۰ میلی متر) عبور می دهند.

ذراتی از کک را که از سرند ۱۰ عبور کرده اند را وزن کرده و درصد آن را در ۵۰ کیلوگرم محاسبه کرده و به صورت M10 و درصد ذراتی از کک را که روی سرند ۴۰ باقی می مانند به صورت M40 گزارش می کنند.ککی دارای استحکام مناسب است که M10 آن کمتر از ۸/۶ و M40 آن بالای ۸۰ باشد.

قسمت کک و مواد شیمیایی شامل سه بخش اصلی زیر است:

1. بخش زغال

2. بخش کک

3. بخش مواد شیمیایی : این بخش دارای پنج قسمت فرعی زیر است:

4. بخش بازیابی مواد

5. بخش اسید

6. پالایش بنزول

7. بخش انرژی بیوشیمی

8. واحد تحقیقاتی زغال و کک

وظیفه ی بخش زغال آماده سازی و ذخیره ی زغال سنگ جهت شارژ در سلولهای کک سازی است.زغال سنگ از معادن به وسیله ی راه آهن و کامیون به کارخانه حمل می گردد.این زغال سنگها از معادن داخلی تامین می شوند.همچنین حدود ۴۰% زغال سنگ شارژ شده در سلولهای کک سازی از استرالیا وارد می شوند.

اول

 بخش زغال واگن برگردان قرار دارد.واگنهای محتوی زغال سنگ به صورت تکی وارد واگن برگردان می شوند و توسط آن واژگون می گردند در نتیجه زغال سنگ به داخل بونکرهای زغال که در زیر دستگاه واگن برگردان قرار دارد ریخته می شود.

دوم

سپس زغال سنگ به طور یکنواخت به وسیله ی نوارهای نقاله که در زیر بونکرها قرار دارند به طرف جداکننده ی مغناطیسی می رود.در جداکننده ی مغناطیسی قطعات فلزی که احتمالا با زغال سنگ مخلوط شده اند جدا می شوند.

سوم

پس از آن زغال سنگ از یک آسیاب عبور نموده و به وسیله ی نوار نقاله به بالای سیلوهای زغال که در دو ردیف سیزده تایی و دو ردیف هفت تایی قرار دارند می رود.هر سیلو زغال دارای گنجایش تقریبی ۲۵۰۰ تن زغال سنگ است.دمای نگهداری زغالها در سیلوها نباید بیشتر از ۶۰ درجه ی سانتی گراد باشد.

زغالهای هر معدن در سیلوهای جداگانه شارژ می شود.سپس زغال به مقدار معین از زیر سیلوها خارج شده و بر روی نوار نقاله هایی که زیر و در امتداد ۴ ردیف سیلو قرار دارد می ریزد.بدین ترتیب انواع مختلف زغال با درصدهای وزنی معین برداشته می شوند.این زغالها در دو آسیاب به اندازه ی ۰ تا ۳ میلی متر خرد می شود سپس در مسیر حرکت به سمت باتریها وارد مخلوط کن شده و همزمان آب بر روی آن پاشیده می شود تا علاوه بر مخلوط شدن بیشتر از ایجاد گرد و غبار جلوگیری شده و رطوبت لازم برای زغال نیز تامین شود.

شرایط فنی زغال شارژ به صورت زیر انتخاب می شود :

1. خاکستر حداکثر ۱۰/۸%.

2. رطوبت حداکثر ۹%.

3. مواد فرار ۲۵ تا ۲۸%.

4. گوگرد حداکثر ۱%.

5. ذرات ۰ تا ۳ میلی متر ۷۵ تا ۷۷%.

در اینجا وظیفه ی بخش زغال به پایان می رسد و زغال سنگ آماده که دارای رطوبت کافی و ابعاد متناسب و درصدهای مناسب از انواع زغال سنگ است به طرف برج زغال فرستاده می شود.

• بخش کک :

 در این بخش زغال سنگ آماده در برج زغال توسط واگن شارژ در سلولهای کک سازی شارژ شده و در طول مدت معینی که پریود کک سازی نامیده می شود در شرایط درجه حرارت مناسب(۱۱۰۰-۱۰۰۰ درجه ی سانتی گراد) و عدم وجود هوا و طی پنج مرحله به کک تبدیل می شود.این مرحله ها شامل :

1. تبخیر رطوبت زغال در دمای ۱۰۰ درجه ی سانتی گراد.

2. مرحله ی خروج هیدروکربنها در دمای ۳۵۰-۳۰۰ درجه ی سانتی گراد.

3. تبدیل توده ی زغال به حالت خمیری در دمای ۴۸۰-۳۵۰ درجه ی سانتی گراد.

4. مرحله ی تبدیل توده ی پلاستیکی به نیمه کک در دمای ۵۵۰-۴۸۰ درجه ی سانتی گراد.

5. مرحله ی تبدیل توده ی نیمه کک به حالت جامد کک در دمای ۱۰۰۰-۴۸۰ درجه ی سانتی گراد.

مواد ورودی به باتری کک سازی زغال سنگ و مواد خروجی از آن کک و گاز کک است.

باتری کک سازی به شکل مکعب مستطیل است که به وسیله ی دیواره های عرضی به واحدهای کوچکتری به نام سلول تقسیم شده است.در این سلولها زغال شارژ می شود.هر سلول از دو طرف توسط سلولهای گرمایی گاز کک تصفیه شده و در آنها می سوزد و گرم می شود و حرارت لازم برای تبدیل زغال سنگ به کک تامین می شود.شارژ و تخلیه ی زغال در هر سلول توسط سه ماشین شارژ و هل دهنده (تخلیه) و درب باز کن انجام می شود.

سلولهایی که در آنها زغال شارژ می شود سلول کک و سلولهایی که در آنها گاز کک تصفیه شده با هوا می سوزد سلول گرمایی نامیده می شود.درجه ی حرارت سلولهای گرمایی همواره باید کنترل شود.برای استفاده از گرمای دود خروجی و جلوگیری از اتلاف انرژی از یک سیستم گرم کننده ی گازها و هوای ورودی که در زیر باتری کک سازی قرار دارد استفاده می شود.به این سیستم رگژاتور می گویند.

مسیر خروج دود در سلولهای احتراق با مسیر هوای ورودی به صورت متناوب توسط دستگاه تعویض مسیر مرکزی و در کلاپانها عوض می شود و در نتیجه هوای ورودی برای سوختن پیش گرم می شود.

پس از پایان پریود کک سازی دو درب طرفین سلول به وسیله ی ماشینهای درب باز کن و هل دهنده باز می شوند و پس از هماهنگی بین ماشین هل دهنده و لوکوموتیو حمل گداخته بازوی ماشین هل دهنده (اشتانک) از بیرون سلول به داخل سلول کک وارد شده و کک گداخته را به جلو می راند در نتیجه کک از جلو سلول خارج شده و به داخل واگن خاموش کن ریخته می شود.

تقسیم بندی کک از نظر ابعاد

لوکوموتیو واگن خاموش کن کک گداخته را به زیر برج خاموش کننده می برد و با پاشیده شدن آب فنل بر روی آن در حدود ۹۰ تا ۱۰۰ ثانیه کک خاموش می شود و سپس واگن خاموش کن از زیر برج خاموش کننده خارج شده و کک را به طور یکنواخت روی سکوی کک می ریزد.تقریبا پس از ۲۰ دقیقه کک تسط یک سرس نوارهای نقاله به بخش دانه بندی کک می رود و در آنجا پس از سرند شدن از نظر ابعاد به سه اندازه دانه بندی می شود :

1. دانه های کک کوچکتر از ۲۵ میلی متر که به عنوان سوخت در آگلومراسیون و قسمتهای دیگر مصرف می شود.

2. دانه های کک ۸۰-۲۵ میلی متری که مستقیما به کوره ی بلند ارسال می شوند.

3. دانه های کک بزرگتر از ۸۰ میلی متر از بخش دانه بندی خارج شده و به وسیله ی کامیون به انبار روباز کک ارسال می شود و مجددا وارد بخش دانه بندی کک شده و سرند می شوند و مورد استفاده قرار می گیرند.از این دسته ککها میتوان در کوره های ریخته گری نوع کوپل نیز استفاده نمود.

در صورت عدم نیاز کوره ی بلند کک تولیدی مازاد به انبارهای روباز انتقال داده می شود.

• بخش بازیابی و پالایش مواد شیمیایی :

 

گاز کک پس از خروج از سلول کک سازی به طرف بخش بازیابی مواد شیمیایی فرستاده می شود.در این بخش با روشهای مخصوص مواد شیمیایی مختلفی از گاز کک جدا می شوند.گاز کک از دو جنبه دارای اهمیت است اول ارزش حرارتی خوب و دوم ارزش شیمیایی این گاز.

یک متر مکعب گاز کک خام با دانسیته ی متوسط ۶۵۰ گرم بر متر مکعب دارای مواد شیمیایی زیر است :

بخار آب : ۴۵۰-۲۵۰ گرم.

بخار قطران : ۱۳۰-۸۰ گرم.

آمونیاک : ۱۲۰-۸۲ گرم.

هیدرو کربنهای بنزولی : ۳۴-۳۲ گرم.

هیدروژن سولفوره : ۶/۲-۵/۸ گرم.

نفتالین : ۲۲-۲۴ گرم.

اسید سیانیدریک : ۱-۸%.

 

 

گاز کک خام تولید شده از فرآیند کک سازی پس از خروج از بخش کک ابتدا درجه ی حرارت آن با پاشیدن مستقیم آب آمونیاکی روی آن از ۷۰۰ به حدود ۸۰ درجه ی سانتی گراد می رسد.در اثر این کاهش دما قسمت عمده ی قطران و آب آمونیاکی و نفتالین همراه با ذرات ریز کک جدا می شود.سپس گاز با دمای پایین توسط دو ماشین مکنده از طریق رگلاتورهای بخش کک به سپراتور(جدا کننده) می رود و مواد سنگین که حاوی آب آمونیاکی و قطران باقی مانده از آن است جدا می گردد.در مرحله ی بعد به ۸ برج خنک کننده رفته و دمای آن به ۳۰ درجه ی سانتی گراد می رسد.

در ادامه این گاز توسط بخار غیر مستقیم آب به ۶۰ درجه ی سانتی گراد رسیده و سپس وارد قسمت سولفات آمونیوم می شود.در این قسمت با عبور گاز از روی سطح اسید سولفوریک سولفات آمونیوم به صورت رسوب ته نشین می شود.این رسوبات پس از خشک کردن بسته بندی شده و در کشاورزی به عنوان کود از آن استفاده می شود.گاز خروجی از قسمت اسید سولفات آمونیوم به قسمت جذب بنزول ارسال می شود.

با پاشیدن گازوییل بر روی گاز بنزول جذب گازوییل می شود.گازوییلی که بنزول را به خود جذب نموده به بخش پالایش بنزول ارسال می شود.محصولات این پالایشگاه بنزن و تولوین و کسیلن و سولونت می باشد.گاز خارج شده از قسمت جذب بنزول به قسمت اسید سولفوریک ارسال می شود.در این ترکیبات گوگرد موجود در گاز جدا شده و سپس سوزانده می شود تا به SO2 تبدیل شود.

با تزریق بخار آب و کاتالیزور پنتااکسید وانادیم SO3 به H2SO4 تبدیل می شود.اسید سولفوریک حاصل به قسمت سولفات آمونیوم ارسال می شود.گاز خروجی از قسمت اسید سولفوریک وارد شبکه ی گاز کارخانه می شود و از آن برای گرم کردن سلولهای کک سازی یا تولید بخار در نیروگاهها یا کوره های پیش گرم نورد یا ماشینهای پخت آگلومراسیون میتوان استفاده نمود.

ماده ی آلی کک شامل ۵٫۹۶-۵٫۹۷% کربن و ۸-۵% هیدروژن و ۴-۳% اکسیژن و مقدار کمی گوگرد و ازت است.

وقتی کک را تا ۸۵ درجه ی سانتی گراد و یا بیشتر حرارت دهند مواد فرار از آن خارج می شود.خارج شدن مواد فرار در

حرارت دادن ثانویه به علت شکسته شدن هیدرو کربن های موجود در کک است.هر چه جریان حرارت دادن در کوره ی کک سازی یکنواخت تر و هرچه درجه ی حرارت کک قبل از لحظه ی خروج کک سازی بیشتر باشد درصد مواد فرار در آن کمتر است.کک متالوژیکی معمولا دارای ۰٫۹ تا ۱٫۱% مواد فرار است.

مهمترین دلیل وجود رطوبت در کک پس از خاموش کردن آن ورود آب به حفره های کک است.هنگام انبار کردن کک در فضای آزاد کک به سرعت رطوبت خود را از دست می دهد و درصد آن به ۲/۳ تا ۲/۷ کاهش می یابد.بنابراین درصد رطوبت کک به نحوه ی خاموش کردن و همچنین سطح آن به ازای واحد وزن آن نیز بستگی دارد.هر چه نسبت سطح به وزن بیشتر باشد درصد رطوبت بیشتر است.(اگر تمام شرایط دیگر یکسان باشند.)بنابراین درصد رطوبت کک ریز ۳-۴ برابر بیشتر از کک با دانه های بزرگ است.