فرآیند مداوم کاربنیت برای تولید کک قالبی ریخته گری یک اندازه

فرآیند مداوم کاربنیت برای تولید کک قالبی ریخته گری یک اندازه
قوانین و مقررات زیست محیطی دقیق تر، توسعه روش های جدید، و کارآمد تولید کک را به دنبال داشته است. این تحولات عمدتا بر کاهش جدول  انتشار و زباله بدون محدود کردن کیفیت و هزینه های فعلی تمرکز دارد.
نویسنده : DR.RICHARD A.WOLFE ، رئیس شرکت کربنیت، و شرکت فناوری زغال سنگ ، ایالات متحده آمریکا
بیست سال پیش، نویسنده همراه با دیگران در شرکت CoalTechnology (CTC)) شروع به کار کرد تا ایده ای برای توسعه یک فرایند پیوسته جدید برای تبدیل ذغال سنگ به کک که تمام مقررات انتشار محیط زیست مطابق قانون هوای پاک برای سال های سال ۱۹۹۵ و فراتر از آن را در نظر گرفته بود. هدف از این توسعه این بود که “نسل سوم” فن آوری کک سازی که یک کک با کیفیت بالا را به طور مداوم تولید می کند، کاملا محصور شده و در کار با هزینه های کم هزینه برای ساخت، کارآمدتر می شود و قادر به استفاده از طیف گسترده ای از زغال سنگ کک شو و غیر ککی است.
فرآیند تبدیل ذغال سنگ به چار (زغالسنگ بدون دود و مایعات هیدروکربن نسبتا ساده است و در ایالات متحده در دهه ۱۹۲۰ و ۱۹۳۰ به صورت تجاری مورد استفاده قرار گرفته تا سوخت بدون دود را تولید کند. کولیت، یک سوخت بدون دود از ذغال سنگ است ، هنوز در بریتانیا کولیت در یک پروسه تولید نا پیوسته پیرولیز تولید می شود.
فرایند هیز Hayes Process که در دهه ۱۹۲۰ در ایالات متحده مورد استفاده قرار گرفت، ، در حالی که تقریبا نیمی از گازهای مایع نشده (متراکم نشده ) برای تامین گرمای مورد نیاز استفاده می شود، کاربرد خود را حفظ کرده است. مانع اصلی در پروسه تهیه کک ،زغال سنگ های کک شو هستند که معمولا به عنوان زغال سنگ متالورژیکی محسوب می شوند، در یک راکتور گرم حلزونی شکل نوعی ویژگی های تورم ذاتی این ذغال سنگ ها مشکل ساز است.
ایده CTC استفاده از دو راکتور حلزونی با توانایی ارائه حرکت به عقب -جلو در سرعت های مختلف برای از بین بردن حالت مایع و سوزاندن زغال سنگ نوع تورم زا در هنگام تبدیل شدن به کک در فاز تخلیه سازی گازهاو میعانات در حدود ۵۵۰ درجه سانتیگراد پلاستیک شده است.
طراحی، ساخت چنین رآکتور ی بیش از پنج سال است و با موفقیت در کارخانه آزمایشی ۱۰ تن در روز کار می کرد. این پیشرفت تکنولوژی در طراحی راکتور تبدیل به عنصر کلیدی ثبت اختراع صادر شده به دکتر وولف و CTC در سپتامبر ۱۹۹۲، اختراع شماره ۵،۱۵۱، ۱۵۹ شده است. یک فرآیند پشت فرآیند دیگر پس از آن، که فرآیندهای کل را با هم ادغام می کند، موجب صدور گواهی اختراع به Dr.Wolfe و CTC در مارس ۱۹۹۴، Patent No. 5.296،۰۰۵ شد.
فرایند CTC / CLC® شامل دو مرحله می شود. در مرحله اول، همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است، زغالسنگ از طریق راکتور حلزونی گاز گیری خفیف دوگانه به دمای ۶۵۰ تا ۷۵۰ درجه سانتیگراد در فشار اتمسفر بدون دخالت هوا صورت می گیرد. این پروسه تولید چارو میعانات زغالی و
قدم اول برای کک سازی CTC

شکل ۱٫ تولید چرخه – مرحله اول پردازش.
این فرآیندموجب تولید مایعات شیمایی، چار و گازهای تولید شده در، حدود ۲۰ دقیقه میشود.چار حاصله حاوی کمتر از ۱۰ درصد فرار است، مایعات زغال سنگ در این دماها با کیفیتی بالا به منظور پالایش بیشتر، تبخیر شده و گاز غیر متراکم که حاوی مقدار گرمائی ۱۸٫۵ مگاژول بر متر مکعب است برای گرمایش راکتورها استفاده می شود. Char، که اکنون کربنیت نامیده می شود، یک محصول منحصر به فرد درنوع خود در بازارهای تجاری خود است. کربنیت حاوی ۸۰ تا ۹۰ درصد کربن است و دارای ویژگی های قابل قبول برای استفاده به عنوان یک عامل کاهش دهنده کربن در ذوب فرآورده های فلزی و در کوره های ذوب فولاد است (جدول ۱).
برای دستیابی به مشخصات مورد نظر مشتری ، از جمله مقاومت کک پس از واکنش (CSR)، شاخص واکنش کک (CRI)، تخلخل، ثبات و تراکم. نویسنده معتقد است که این فرایند می تواند یک محصول کک تولیدی را برای تطابق کل خواسته ها با مشخصات مشتری فراهم کند.
به طور خلاصه، تکنولوژی کربنیک کک ™ یک فرایند کربن سازی دو مرحله ای است که در آن کربنیت در مرحله ۵۵۰ درجه سانتیگراد در راکتور دوقلوی گاز گیری ضعیف در مرحله اول تولید می شود. سپس کربنیت با مواد اتصال دهنده های مختلف هیدروکربنی مخلوط می شود، به شکل های مختلف و برش های مختلف تزریق می شود و در مرحله دوم تا ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد دریک کوره کلسینه می شود. (جدول ۱).
وزن حجمی KG/m3 FSI ارزش حرارتی MJ/Kg کربن ثابت% مواد فرار% گوگرد % گریندابیلیتی اندازه نمونه های زغالسنگ/ زغال چوب
۱ ۰۰ % +۶٫۲۵ ۱ ۰۰ % +۶٫۲۵ ۱ ۰۰ % +۶٫۲۵ ۱ ۰۰ % +۶٫۲۵ ۱ ۰۰ % +۶٫۲۵ ۱ ۰۰ % +۶٫۲۵ ۱ ۰۰ % +۶٫۲۵ ۱ ۰۰ % +۶٫۲۵ mm زغالسنگ
۸۵% +۳٫۱۲۵ ۸۵% +۳٫۱۲۵ ۸۵% +۳٫۱۲۵ ۸۵% +۳٫۱۲۵ ۸۵% +۳٫۱۲۵ ۸۵% +۳٫۱۲۵ ۸۵% +۳٫۱۲۵ ۸۵% mm +3.125 قطعات زغال چوب
۱۵ % -۳٫۱۲۵ ۱۵ % -۳٫۱۲۵ ۱۵ % -۳٫۱۲۵ ۱۵ % -۳٫۱۲۵ ۱۵ % -۳٫۱۲۵ ۱۵ % -۳٫۱۲۵ ۱۵ % -۳٫۱۲۵ ۱۵ % -۳٫۱۲۵ mm ذرات زغال چوب

با این حال، بزرگترین بازار برای تامین کربنیت برای مصرف بیشتر به عنوان کک ریخته گری و کک متالورژی نوع کوره های بلند و کوره ریخته گری خواهد بود.
پردازش کربنیت به کک در مرحله دوم کارخانه آزمایشی نشان داده شده است. مرحله دوم فرایند کک کربنیتی که در شکل ۲ نشان داده شده است، شامل تولید کربنیت به ذرات کوچک ذرات می باشد، کربنیت تهیه شده را با هر دو محصول مایع و جامد در یک فرآیند مخلوط کرده و مواد تشکیل دهنده مخلوط را به شکل های بریکت یا آجر تبدیل می کنتد. سپس این بریکت ها از ابعاد و اندازه های مختلف تا ۱۱۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد در یک کوره دوار یا کوره تونل حرارت داده می شود. کک تولید شده به طور کامل از طریق این مرحله واکنش در کمتر از سه ساعت پردازش می شود. کیفیت کک می تواند بسته به شرایط فرآیند متفاوت باشد – که در هر مورد برآورده شده بیش از مقررات موجود برای کک ریخته گری و کوره بلند است.
به منظور تولید بیشتر محصولات کک از این روند که شبیه کک موجود است، یک فرآیند برای ساخت کک با شکل یکنواخت شکل گرفته که به عنوان “کک کلاسیک” نامگذاری شده است، توسعه داده شد. یکی از ویژگی های منحصر به فرد این فرآیند این است که مواد اولیه کک به طور کامل با هم مخلوط شده است، و نه فقط با یک ماده چسبنده پیوند دارد بلکه مواد اولیه کک به طور کامل با هم مخلوط شده است، . همچنین، در این روش، فرایند کربنیت می تواند برای دستیابی به مشخصات مورد نظر مشتری، از جمله مقاومت کک پس از واکنش (CSR)، شاخص واکنش کک (CRI)، تخلخل، ثبات و تراکم باشد. نویسنده معتقد است که این فرایند می تواند یک محصول کل کک تولیدی را برای تطابق با مشخصات مشتری فراهم کند.

به طور خلاصه، فن آوری فرایند کربنیت کک ™ یک فرایند کربن سازی دو مرحله ای است که در آن
کربنیت در مرحله ۵۵۰ درجه سانتیگراد در راکتور گازسیون ضعیف دوقلو در مرحله اول تولید می شود. سپس کربنیت با مواد اتصال دهنده ای مختلف هیدروکربنی مخلوط می شود، به شکل های مختلف و برش های مختلف تزریق می شود و در کوره در درجه حرارت ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد در مرحله دوم کوره می شود.
زمان کل تبدیل زغال سنگ به کک با کیفیت بالا به طور مداوم در عرض سه ساعت در یک سیستم محصور شده است. گازهای خروجی سوخته می شود و برای تامین گرمای داخلی مورد نیاز در فرایند مورد استفاده قرار می گیرد.
مقدار تن بریکت کک بریکتی برای آزمایشات تخصصی توسط شرکت های مختلف فولاد و آزمایشگاه های مستقل بررسی شده است. آزمایش کک با مطالعه پتروگرافی ارائه شده توسط آزمایشگاه SGS Minerals پشتیبانی شده است. مجموعه ای از آزمایش های مختلف توسط کک های ما توسط چندین شرکت مختلف ، از جمله جنرال موتورز، شرکت ریخته گری Intermet، فولاد سازی Inland Steelفولاد اARMCO، Elkem Metals , Koppers صنایع UEC/USXوزارت انرژی ایالات متحده و UEC / USX Steel Laboratories تکمیل شده است. این نتایج، کیفیت کک کربنیت معمولی را با استاندارد کیفیت کک استاندارد موجود برای کاربرد کوره های بلند مقایسه می کند (جدول ۲ را ببینید.
داده ها نشان می دهند که کک تولید شده از کربنیت در هر دسته از مقادیر کک های استاندارد کک ،کک استاندارد است.
داده ها همچنین نشان می دهند که قدرت کک می تواند به طور مداوم نسبت به کک کوره معمولی برتر باشد، که به سطوح بالاتری از تزریق ذغال پودر (PCI) را در کوره های بلند متعارف اجازه می دهد

۱- زغال چوب گرم ۲- خرده کک ۳- زغالسنگ ۴- قیر/ قطران ۵- مخلوط کن پیش گرمایش و اختلاط اولیه ۶- بریکت ساز غربال ۷- خنک سازی بریکت ۸- حرارت بطرف کوره ۹- بریکت تولید شده

شکل۲مراحل ساخت ککی که دارای انواع مختلف بوده و اختلاط مختلفی داشته و در کوره حرارتی در ۲۱۰۰ درجه فارینهایت ساخته می شوند

با وجودی که استفاده از زغال سنگ با هزینه پایین در فرایند کک شوی تشکیل شده از بریکت، نیروی محرکه اصلی در دهه ۱۹۷۰ بود، امروزه استفاده از فرایند کک شوی مداوم بر روی عوامل محیطی بیشتر از استفاده از زغال سنگ کم هزینه با مارک پایین استوار است. با این وجود، از طریق استفاده از فرآیند توصیف شده در اینجا، کک با کیفیت مناسب از زغال سنگ کم هزینه امکان پذیر است. همانطور که زغال سنگ به طور مستمر در فرایند از طریق فضای بسته وارد می سود، تمام گاز زغال سنگ به مصرف سوخت میرسد و یا به مایعات قابل استفاده تبدیل می شود.
هر گاز غیر متراکم بعنوان سوخت مصرف می شود. انتشار آلودگی های زیست محیطی که معمولا با سیستم های کک سازی کوره معمولی مرتبط می شوند، وجود ندارد. یک نامه از
آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده (EPA) در ژوئیه ۱۹۹۳ CTC / CLC® و فرآیند کک کربنیت را به عنوان
“تبديل زغالسنگ هاي نوع كوك شو به سه فرم جديد سوخت جديد مجزا از ارزش افزوده و به اين ترتيب بايد به عنوان واحد تبديل سوخت تحت ۴۰CFR، بخش ۵۲٫۲۱ (b) (l) (iii) (q) طبقه بندي شود.”
نتایج تجزیه و تحلیل کیفیت کک مشابه با مشخصات کک ریخته گری و کوره بلند فعلی یا بالاتر است.
با این حال، پذیرش کلی یک نوع جدید از کک توسط صنعت فولاد محافظه کار باید از عملکرد آن در آزمایش واقعی کوره های تجاری حاصل شود.
از آنجاییکه پاییوت پلنت CTC چندین تن کک در روز تولید می کند و یک آزمایش در کوره بلند با ظرفیت بیش از ۲۰ تن نیاز دارد، آزمایش های کوره به سمت کوره ریخته گری کوپول توسعه یافته است. با این وجود، این امر به خودی خود یک چالش فنی واقعی را در تولید قالبهای بزرگتر به اندازه ۱۳۰ × ۱۰۰ × ۱۵۰ × ۱۳۰ نشان می دهد (به شکل ۳) که معمولا توسط صنعت ریخته گری استفاده می شود. با وجود اینکه برخی از ککهای قالبی در سالهای ۱۹۷۰ تولید و آزمایش میشدند، تا به حال
CTC آنها را تولید نکرده است که مقادیر زیادی از بریکت های کک ریخته گری بزرگتر در ایالات متحده و یا در جهان تولید می شود.
اول، یک سری تست های تک تنی در یک قطر ۰٫۷ متر واقع در آلاباما تکمیل شد. تست ها با نتایج موفقیت آجدول با استفاده از مخلوط های ۲۵ درصد، ۵۰ درصد و ۱۰۰ درصد از CTC تولید شده کک ساخته شده، با توازن کک در دو آزمون اول ساخته شده توسط کک معمولی جایگزین شده ، انجام شد.
پس از موفقیت کک تشکیل شده در آزمون های آلاباما، Intermet Foundries Inc. موافقت کرد که اولین آزمایش تولید ریخته گری ایالات متحده را با استفاده از چند تن کک ساخته شده در ۲۵ درصد مخلوط در کوره تولید خود در آوریل ۱۹۹۵ انجام دهد. مقدار زیادی داده ها بر روی عملکرد کاپولا، از جمله فشار عقب، دمای جریان فولاد و جذب کربن، انباشته شده است. نتایج حاصل از آزمایش هشت ساعته، در نتیجه ترکیب کک در این درصد، در مقایسه با کک ریخته گری تجاری در عملکرد کوره تفاوت قابل ملاحظه ای نداشت.
بر اساس نتایج موفقیت آجدول با ۲۵ درصد ترکیب کک، Intermet موافقت کرد که آزمایش بسیار تهاجمی انجام دهد که در آن بیش از ۱۰ تن کک ریخته شده در ۵۰ درصد مخلوط برای بیش از پنج ساعت کامل کوره آزمایش شد عمل. این تست ۲۷ تا ۲۸ فوریه سال ۱۹۹۶ بیش از ۱۲ سال پیش انجام شد.
نتایج فنی نشان داد که کوره برای انجام کانی مشابه با کک معمولی از لحاظ تغذیه محصول، ثبات در کوره، فشار برگشت از طریق کوره، درجه حرارت کوره و کربن در نظر گرفته شده است. علاوه بر این، عملکرد فرآورده با توجه به جدول ان ذوب فولاد ضایعات و دمای شیر، به نظر می رسد کمی نسبت به کک معمولی بهبود یافته است. این دکتر دکتر سای کاتز از جنرال موتورز، متخصص کک ریخته گری، پیش بینی کرد که چگالی بالاتری از
کک CTC به نوبه خود انرژی بیشتری را به ازای هر کوبیت کک تولید می کند که کک های معمولی قادر به ارائه آن نیستند. به احتمال زیاد، آزمایشات اضافی با درصد بیشتری از کک ریخته گری انجام می شود که مزیت دستیابی به دمای کوره بالاتر با کک کمتری قابل اثبات خواهد بود.
شکل ۳ CTC بریکت کک ریخته گری بارگیری شده در قیف خوراک در Foundry Intermet، Radford، ویرجینیا، ایالات متحده آمریکا.

بر اساس این آزمایش های کوره موفق، جنرال موتورز قراردادی را با CTC بسته است تا یک برنامه آزمایش دقیق کک ریخته گری در تاسیسات تولید خود را با استفاده از کک CTC، اجرا کند. وزارت انرژی ایالات متحده از طریق مرکز فن آوری انرژی Morgantown نیز موافقت کرده است که در این آزمون شرکت کند. کک CTC تولید شده در حمایت از این برنامه آزمون کوره که در ماه ژوئن سال ۱۹۹۶ در کارخانه GM Defiance و در اوت ۱۹۹۶ در تاسیسات آزمون Marquette تست شد، تولید شد. نتایج موفقیت آمیز داشت.

شکل۴ پالت های چدن مذاب در تست GM

جدول با مخلوط کردن تا ۲۵ درصد در کوره تولید در کارخانه GM Defiance و با ۱۰۰ درصد CTC کوره ریخته گری در کوره تست مارکت، همانطور که در شکل ۴ نشان داده شده است، نتیجه گرفت. نتایج این آزمایش ها در نشست کنگره ۱۰۱ ریخته گری انجمن شرکت آمریکایی در سیاتل، واشنگتن در آوریل ۱۹۹۷ توسط دکتر ولف، بنیانگذار و صاحب CTC که از سال ۱۹۹۰ تاحال حاضر بنیانگذار و صاحب آن است ارایه شد

شکل ۵ . آقای Hall (General Shale) و دکتر Dr. Wolfe اجرا کنندگان آزمون کک قالبی در تست Brick Tunnel Kiln
شرکت کربنیت به توسعه فن آوری کک شکل گرفته ادامه داده است. در گذشته
۸ تا ۱۰ سال پیش، آزمایش های متعددی انجام شده است تا هر دو طراحی و کارایی فرآیند را بهبود بخشد تا به این ترتیب که اختراعات جدید در حال پیشرفت در فرایند پیشرفته تر به نام “تکنولوژی تولید کربنیت کک سازی” باشند.
کک قالبی تولید شدب در شکل شماره ۶ نشان داده شده اینها نمونه های کک قالبی هستند که انتخاب شده و به وسیله آزمایشگاه های اقتصادی SGS آزموده شده اند. نتایج آزمون ها در جدول ۱ نشانداده شده است.

شکل شماره ۶ . کک قالبی ریخته گری و فرمولاسیون اختلاط آنها
کک قالبی که در شکل ۶ نشان داده شده است دارای اشکال متفاوت است اینها نمونه های کک قالبی هستند که ویژگی های فیزیکی اختلاط کربونیت آنها را نشان می دهد و زغالسنگ با پلاستیسیته بالا در حالت مذاب داشته و به اشکال مختلف در آمده اندو استفاده از کربونیت با مواد فرار کم در درجه حرارت ۱۹۵۰-۲۱۵۰ فارینهایت شکل خود را پیدا کرده اند و به شکل قالبی درآمده اند.
نمونه های کک های ریخته گری نشان داده شده در بالا برای آنالیز به آزمایشگاه های اقتصادی SGS در سوفیا در ورجینیای غربی، فرستاده شده اند نتایج آزمایشات در جداول ۱ و۲ آمده است.
جدول ۱
مشخصات فیزیکی کربنیت
خواص فیزیکی کربنیت
رطوبت٪ ۳٫۳۲
خاکستر ۱۰٫۰۹٪
موادفرار ٪ ۱۰٫۶۸
کربن ثابت ۷۵٫۹۱٪
گوگرد٪ ۰٫۶۸
ارزش گرما BTU / # 12،۸۳۹
شاخص تورم آزاد (FSI) 0

جدول ۲
آنالیز کک ریخته گری قالبی در مقایسه با مشخصات استاندارد ASTM برای کک کوره بلند
مشخصات STD
مشخصات فیزیکی قالب * ویژگی های کوره بلند
رطوبت ٪ ۱٫۶ ۱٫۰-۱٫۵max
خاکستر (پایه خشک)٪ ۸٫۹ <10
فرار (پایه خشک) ٪ ۲٫۲ <2.0
کربن ثابت ۸۷٫۳ ~ ۹۰
واکنش پذیری کک ( ۳۲ max(CRI) 4 3.1 CRI
مقاومت کک (CSR) 56.2 55 دقیقه
پایداری کک ۵۰ ۵۸ دقیقه
* توجه: این مشخصات کک برای کک ریخته گری قابل قبول است و بسیار نزدیک به مشخصات کک کوره بلند است. با تغییر فرمولاسیون، کک ساخته شده در کوره بلند ساخته شده در این آزمایش خاص آن از مشخصات ASTM برای کک با کیفیت کوره بلند برتر است.
نتيجه گيري براساس تجربیات جديد كک سازان و تجربیات كساني كه از طريق CTC از اواخر دهه ۱۹۹۰ در اين مقاله ذكر شده است، مي توان نتيجه گيري كرد:
۱٫ اختراع کربنیت و پیش از آن تکنولوژی CTC ساخت کک قالبی به وضوح نشان می دهد که یک روش جدید برای ساخت هر دو کک ریخته گری و کوره بلند که ارزان تر و سازگار با محیط زیست است، که در حال حاضردر تکنولوژی کک سازی استفاده می شود.
۲٫ هزینه سرمایه گذاری فرآیند ساخت کربنیت کک حداقل نصف تاسیسات کک سازی متعارف خواهد بود.
۳٫ هر دو کک ریخته گری و کک کوره بلند می تواند به طور مداوم با استفاده از تکنولوژی اثبات شده تولید شود.
۴٫ انتشار گازهای زیست محیطی به طور قابل توجهی کمتر از فن آوری های تولید کک معمول است و مقررات فعلی و آینده ایالتی EPA را برآورده می کند.
۵٫ هزینه های تولید یک تن از کک ریخته گری یا کک کوره بلند کاهش قابل توجهی خواهد داشت.
۶٫ شرکت کربنیت در حال حاضر به دنبال شرکای تجاری است که به ساخت و تامین مالی و پیوستن به آنها برای اولین بار برای تاسیس کارخانه تجاری کربنیت متشکل از کارخانه کک سازی قالبی پیوسته است.