Vplyv kvality uhlia na akosť vysokopecného koksu

Úvod

Uhlie patri medzi najdôležitejšie priemyselné suroviny. V prvom rade slúži ako palivo. Je zdrojom tepelnej a odvodenej mechanickej alebo elektrickej energie. Dnes sa palivá zušlachťujú chemickou cestou, a to splyňovvaním, karbonizáciou a hydrogenizáciou. Splyňovanie sa robí v generátoroch všetkých typov a v plynárňach. Karbonizácia s vedľajšou tvorbou plynu sa robí buď za vysokých teplôt (karbonizácia), alebo za stredných a nízkych teplôt (získavanie nepriehratych dechtov).
I keď v súčasnej dobe sú postupne realizované dokonalejšie postupy pri získavaní elektrickej energie v atómových elektrárňach, ktoré pracujú lacnejšie ako elektrárne teplené a vodné, ostane uhlie ešte veľmi dlho najprístupnejším zdrojom energie.
Z hľadiska hutníckej výroby je uhlie stále nenahraditeľnou surovinou pre výrobu vysokopecného a zlievarenského koksu, ktorý je nevyhnutný pri výrobe surového železa a liatiny.


1. Koksovacie vlastnosti uhlia

Z technologického hľadiska mimoriadne významnú skupinu vlastností niektrorých druhov čierneho uhlia tvoria tzv. koksovacie vlastnosti. Prejavujú sa ako zmeny uhoľnej hmoty pri teplotách 350 - 500ºC, kedy pri zahrievaní bez prístupu vzduchu uhlie najskôr mäkne a potom vznikne pevný, spečený koksový zvyšok. Podľa charakteru zmien uhoľnej hmoty delíme koksovacie vlastnosti do nasledujúcich skupín :
a) Zmena stavu uhoľnej hmoty je charakterizovaná spekavosťou a plasticitou uhlia.
b) Zmenu objemu uhoľnej hmoty charakterizujú dilatácia, puchnutie, rozpínanie a zmrštenie.
c) Zmeny hmotnosti sú dané priebehom odplynenia.

1.1. Spekavosť a plasticita

Spekavosť je schopnosť uhlia vytvoriť pri koksovaní pevne spečený koks. Je teda základnou podmienkou vhodnosti uhlia pre koksovanie. Spekavosť je výslednicou mnohých zložitých fyzikálnych a chemických pochodov, prebiehajúcich v rozmedzí teplôt 350 - 500ºC, to znamená od počiatku mäknutia uhlia až po tvorbu polokoksu.
Podmienkou spekavosti je plasticita uhlia. Niektoré zložky uhlia pri jeho zahrievaní bez prístupu vzduchu mäknú, alebo sa tavia, pritom zmáčajú zložky nemäknúce.Tým uhlie, ktoré je pre koksovanie jemne rozomleté, prechádza do polotuhého plastického stavu a tvorí v postate viac alebo menej homogénnu taveninu. Pri ďaľšom zvyšovaní teploty tavenia tuhne, vytvára sa spečený polokoks, z ktorého ďaľším odplyňovaním vznikne koks.

Čím je väčší rozsah teplôt medzi počiatkom a koncom plasticity, teda čím je širšie plastické pásmo, tým je vyššia spekavosť uhlia, nakokľo uhoľná hmota má viac času na pretavenie. Najširšie palstické pásmo majú stredne preuhoľnené uhlia s obsahom 24 až 28 % prchavých látok.
Spekavé uhlie môže byť len také, ktoré prechádza do plastického stavu. Avšak nie každé uhlie prejavujúce plasticitu musí byť spekavé. Napríklad uhlie s vysokým obsahom prchavých látok, ktorého taviteľné zložky sú v úzkom pásme teplôt v plastickom stave veľmi riedke, netvoria s nemäknúcimi zložkami homogénnu taveninu a potom vzniká nespečený koksový zvyšok.
Pre hodnotenie uhlia na základe výsledkov stanovenia spekavosti a plasticity je dôležitý poznatok, že uhlie, ktoré bolo dlhšiu dobu skladované alebo ináč podrobené intenzívnejšiemu okysličeniu, resp. uhlie, ktoré bolo viac hodín zahriate na teplotu 200ºC, stráca svoju plasticitu a spekavosť.

2. Vplyv prípravy vsádzky na kvalitu koksu

Výroba koksu sa dnes môže opierať o vopred známe koksotvorné vlastnosti jednotlivých druhov uhlia s prihliadnutím k optimálnej zrnitosti a vlhkosti pre zmiešanie vsádzky.
Vsádzka sa skladá zo vzájomne ovplyvňujúcich sa druhov uhlí, upravených s ohľadom na zrnitostnú skladbu tak, aby vzájomný styk jednotlivých uhoľných zŕn rôzneho druhu bol čo najväčší a súčasne aby celková zrnitosť vssádzky zabezpečila jej maximálnu sypnú hustotu.
Okrem samozrejme rozhodujúcich koksovacích vlastností majú na priebeh karbonizačného procesu a konečnú kvalitu koksu značný vplyv zrnitosť a hustota vsádzky, dané technológiou vsádzky.

2.1. Zrnitosť vsádzky

V prevádzkovej praxi sa zrnitosť uhoľnej vasádzky bežne udáva množstvom podielu pod 3 mm. Sypaná vsádzka sa pripravuje s ostrosťou mletia 75 - 85 % pod 3 mm, pechovaná vsádzka nad 90 %. Pre presnejšiu orientáciu je nutné tento údaj doplniť podielom frakccie pod 0,2 mm, ktorý nemá prevýšiť 15 % a podielom zŕn nad 5 mm, ktorý je max. 4 - 8 %. Čím menej najväčších zŕn uhlie obsahuje, tým je mleté jemnejšie a čím menej obsahuje najmenších zŕn, tým je mleté šetrnejšie.
Vplyv zrnitosti na sypnú hustotu vsádzky sa prejavuje u sypnej prevádzky a je spolu s vplyvom vlhkosti znázornený na obr.č. 1.

2.2. Hustota vsádzky

Hustota vsádzky sa vyjadruje hmotnosťou suchého uhlia v kg obsiahnutého v 1 m3 v priestore komory. Z už uvedeného obr. č.1 vyjadrujúceho závislosť hustoty vsádzky na vlhkosti a zrnitosti je vidieť, že minimum sypnej hustoty je pri obsahu vody 8 až 10 %. Čím je uhlie mleté jemnejšie, tým má nižšiu sypnú hustotu.

Šetrným mletím sa sypná hustota zvyšuje, pretože zrnká uhlia lepšie vyplňujú priestor. Rovnako priaznivý vplyv na zvýšenie sypnej hustoty vsádzky má predohrev vsádzky, použitie prídavku olejov alebo iných kvapalín s nízkym povrchovým napätím ako zmáčadiel. Čím nižšie je povrchové napätie zmáčajúcej kvapaliny, tým vyššej sypnej hustoty možno dosiahnuť.

3. Vysokopecný koks

Vysokopecný koks predstavuje až 75 % podiel calkove vyrábaného koksu a je najvýznamnejším výrobkom koksochemických závodov. Vyrába sa prevažne v bateriách so sypanou alebo pechovanou vsádzkou z uhoľných zmesí s podielom 15 až 25 i viac % kvalitných koksových uhlí, pri teplotách vykurovania 1300 - 1350ºC.
Úlohou koksu vo vysokej peci je poskytovať tepelnú energiu pre získanie teploty potrebnej pre priamu i nepriamu redukciu rúd a nauhličiť vyredukované železo. Mimo funkcie paliva má koks vo vysokej peci i funkciu redukčného činidla, pretože oxid uhličitý, vznikajúci spálením koksu reaguje so žeravým koksom na oxid uhoľnatým podľa rovnice
CO2 + C = 2 CO
A tento pri svojom prechode pecou redukuje oxidy železa z rúd. Preto musí mať vysokopecný koks určitú reaktivitu.
Otázke kvality vysokopecného koksu sa venuje široká publicita v súvislosti so snahou vysokopeciarov o intenzifikáciu procesov vysokopecnej výroby spojenú so znižovaním mernej spotreby koksu na tonu surového železa a zvyšovaním výrobnosti pri súčasnom zlepšovaní kvality vyrábaného surového železa. Vývoj požiadaviek na akosť vysokopecného koksu bol zložitý a dodnes sa v niektorých detailoch nepodarilo zjednotiť a presne špecifikovať nároky na najdôležitejšie vlastnosti koksu, prednostne v otázke pevnostných a granulometrických parametrov.
Z ukazovateľov kvality uhlia sú vcelku jednotne zdvôvodnené hraničné obsahy balastných zložiek, t.j. vody, popola, síry, prípadne fosforu, ktoré sú tiež podložené experimentálne preukázanými vplyvmi na TE ukazovatele vysokých pecí.
Vplyv obsahu popola, ktorý sa prejavuje zvýšením množstva trosky a zhoršenou tepelnou bilanciou bol kvantitatívne vyjadrený viacerými autormi, rovnako ako vplyv síry. Zvýšenie obsahu popola o 1 % spôsobuje pokles výrobnosti pece o 2% , u síry pokles o 0,1 % zvyšuje výrobnosť o 1,5 % a znižuje mernú spotrebu koksu o 1,5 %.
U mechanických vlastností a granulometrie koksu sa v súčasnej dobe sústreďujú požiadavky na optimálnu zrnitisť, pričom jej číselné vymedzenie nie je jednotné.

V zásade je však nutné optimálnu zrnitosť koksu odvodiť pre každú pec individuálne, vo vzťahu ku zrnitosti aglomerátu, peliet a triedenej rudy, pričom je nutné prihliadať aj ku redukovateľnosti rudy. Základným hľadiskom pri posudzovaní optimálneho granulometrického zloženia koksu je docielenie najvýhodnejších poodmienok intenzívneho prúdenia plynov v celej vysokej peci, so zvláštnym zreteľom na rovnomerné rozloženie plynových prúdov v radiálnom smere. Hlavným predpokladom na dosiahnutie tohto stavu je zachovanie dostatočne veľkých medzier medzi jednotlivými kusmi vsádzky pri rešpektovaní zákonov chemickej kinetiky. Ináč povedané, z hľadiska prúdenia plynov by bola výhodná veľká kusovosť, z hľadiska požiadaviek na veľké reakčné rýchlosti naopak je najvýhodnejšia drobná vsádzka.
Požiadavky na pevnosť a oteruvzdornosť koksu sú neustále zvyšované, najmä v súvislosti so zvyšovaním užitočného objemu vysokých pecí.

Záver

Nakoľko zásoby koksovateľného uhlia pre výrobu koksu sú obmedzené prípadne mnohým krajinám chýbajú, je nutné používať i vo veľkoobjemových vysokých peciach koks s nižšími hodnotami. O to viac sa však vyžaduje dodržanie maximálnej stability všetkých kvalitatívnych parametrov koksu. Trvale znížené akostné parametre koksu sú totiž menej škodlivé ako priemerne priaznivejšie, ale kolísavé.