Türkiye linyit ve taşkömürlerinden metalurjik amaçla karma kok üretimi

Abstract

- II - ÖZET Laboratuar ölçüsünde gerçekleştirilen bu çalışmada; Zonguldak/Lave koklaşır kömürüne, Çanakkale /Çan linyiti katı larak, karışım kok yöntemi ile,metalurjik karma kok üretimi amaçlanmıştır. Ürün kokun, direncinin- en az saf Zonguldak koku kadar olması, yüksek kükürt içerikli Çanakkale/Çan linyitinin kok- da kabul edilebilir kükürt miktarını aşmaması gereği ve kul lanılacak inert komponentin maksimize edilmesi, problem cüm lesini oluşturmaktadır. Dünyada koklaşır kömür rezervlerinin hızla tükenmesi ve üretimin büyük çoğunluğunun birkaç ülke tekelinde olması, dünya ülkelerini koklaşmaz kömür kaynaklarını da metalurjik kok üretiminde kullanmaya zorlamaktadır (18).Türkiye açısın dan probleme bakıldığında, mevcut üç entegre demir-çelik te sisinden sadece Karabük Demir Çelik Fabrikaları Zonguldak Taşkömürü ile çalışmakta; Erdemir kısmen Zonguldak ve kısmen de ithal edilen koklaşır kömür ile üretimini sürdürürken, Isdemir %80 civarında koklaşır kömür dışalımı yapmaktadır. Ülkemiz toplam 1.5 milyar ton taşkömürüne sahipken, linyit rezervleri toplamı 1 milyar tonu bulmaktadır. Yukarıda belirtilen durum gereği ülkemizin karma kok üretimine geçmesi elzemdir. Sözü edilen konuda yapılan çalış malar çok az olup, sert linyit türü kaliteli kömürleri kapsa maktadır (13, 25). Bu çalışmada, A.Jenkner tarafından geliştirilen ve kok kamaralarını simule ettiği gözlenmiş olan, Jenkner kar- bonizasyon sistemi kullanılmıştır (19). Dünya ülkeleri linyit ve benzeri koklaşmaz kömürlerin metalurjik kok üretiminde kullanımı için üç temel yöntemi de nemektedirler (24) ; 1) Karışım kok yöntemi 2) Uniform kok yöntemi 3) Briket şarj yöntemi Söz konusu tez, çalışma şekli olarak karışım kok yön temini incelemektedir. Bu yöntemin seçilmesindeki temel kri-- Ill ?- tef, Türkiye için, kok dar boğazına kısa vade çözümü getirmek ve mevcut kok fabrikalarında mekanik dizayn değişikliği yap tırmamaktır. Çalışma, kapalı ocak üretimi yapan Zonguldak/EKÎ Mer kez. Lavuarmdan band usulü, Bursa Linyitleri İşletmesi /Çan bfölge müdürlüğü Çan/l üretim bölgesinden arazî sürme usulü ile numune alınması evresi ile başlamıştır. Zonguldak havza sından alınan numune -6,0 t 0,5 Demir-Çelik fabrikaları şarjı olup, aşağıda belirtilmiş olan özellikleri daima sabit tutul muş numunedir. Çanakkale/Çan numunesi ise laboratuarlarımızda sürekli oksidasyon kontrolü altında saklanmış havada kuru nu mune olup, Çan/l üretim panosunu tavan ve taban damarları olarak temsil etmektedir. Yapılan elek analizleri sonucu, en yüksek yığın ağır lığını verecek karışımın, Simonis ve diğer araştırıcılar ta rafından belirlendiği gibi, Zonguldak/Lave demir-çelik fabri kaları şarjı ile uyuşmadığı görülmüştür (12, 49), Bu sonuç ge reği karışımlar dm=» 1.1 mm, 0'K =.30 m /Kg olarak hazırlanmış tır, Uluslararası Taşkömürü Sınıflama esaslarına göre tüm karışımlarda uçucu madde, serbest şişme indeksi ve dilatasyon ölçümleri yapılması gerektir(29), FaktÖryel deney dizaynı esaslarına göre yürütülen şişme, pişme ve koklaşma etüdle- rinde, inert oranının, Çanakkale/Çan linyitinden üretilen toz kokların etkileri incelenmiştir. Sonuçta, havzayı temsil ettiği varsayılan Çan/l üretim panosu tavan ve taban damar larının ve bunlardan elde edilen toz kokların 700°C'a kadar aynı davranışı gösterdiği saptanmıştır. Toz koklar; 500, 700 ve 900°C da üretilmiş olup, artan sıcaklık ile sulu çözelti lerde alkalinite(baziklik) oranının arttığı gözlenmiştir.Her türlü koklaşma indeksinde, artan inert oranı ile temel kom- ponent Zonguldak/Lave kömürüne göre düşme görülmüştür. Temel hammadde incelemeleri sadece kontraksiyon gösteren karışımlar elde edilene dek sürdürülmüştür, ki bu karışımlar en kötü kok direncine sahip olanlardır. Koklaşma etüdlerinde, iç et kileşim terimlerinin büyük önem taşıdığı saptanmıştır. Optimum tane boyu, ki maksimum yığın ağırlığını veren karışımdır, ile yapılan Jenkner retort karbonizasyonlarında; linyit kullanıldığında artan inert madde oranı ile kok veri-- IV - minin azaldığı gözlenmiştir, Toz koklar halinde işe artan üretim temperatürü ve oranı ile verim artmaktadır. Koklaşma indekslerinde görülen, inert artım oranı ile azalma, kok tambur (parçalanma) dirençlerinde izlenmemiş olup; her inert cinsi için özel bir davranış söz konusudur. Saf linyit kullanıldığı zaman %5 inert miktarı ile el de edilen en yüksek kok direnci, 500°C toz koku kullanıldığı zaman %10'a ulaşmakta ve yine aynı inert cinsi için %15 oran ile aynen Zonguldak koku direncinde ürün ele geçmektedir. Mikroskopik incelemeler kok sıkılığı ile direnç ara sında tam bir korelasyon kurulamayacağı izlenimini uyandır maktadır (34), Bu görüşün aksine bulgular, söz konusu çalışa mada tesbit edilmiştir, Artan inert oranı ile kok sıkılığında bir minimum görülmekte olup, bu nokta maksimum parçalanma di renci ile çakışmaktadır, Sonuç olarak, laboratuar ölçüsünde Zonguldak/Lave kö mürüne %15 oranında 500°C da elde edilmiş, ısıl değeri yüksek toz kok ilavesi ile saf Zonguldak kömür şarjı ile üretilen kokdan daha iyi ve metalurjik açıdan kullanılabilir kok üre timi gerçekleştirilmiştir,

- v SUMMARY In the present study, the possibilities of preparing mixed coke from prime coking coal (Zonguldak), from Çanakkale/ Çan Lignites and its chars were investigated. The percentage of inert coal and the type of inert were the independent va riables. The production of metallurgical coal in Turkey is not sufficient for the cansumption of the three steel works. The caking coal produced in Zonguldak is only utilized by Karabük Demir Çelik works, while the production of coke in Erdemir and Jsdemir are supported by imported caking coal, Turkey has 9 9 reserves of about 1.5x10 tons of.bıtumınuous coal and 7x10 tons of lignites. Hence, it iş an obligation for our country to make use of non coking coals in the production of metal lurgical coke. The unit operations using low-grade coals in the coke industry can be classified as follows: (i) Mixed Coke Processes (ii) Formed Coke Processes (iii) Briquette-Blend Processes. The productivity of a blast furnace can be increased by making use of high-quality coke. Therefore the use of noncoking subtances such as coke brezee, semicokes and ligni tes isa disadvantage if their sulfur and ash contents are high. Since Turkish lignites contains high percentages of~ VI - sulfur, a low temperature carbonizatipn treatment has been carried out in-order to decrease the organic sulfur. In order to study the complicated effect of inert ma terials on the coking capacity of Zonguldak coal, dilatation, free swelling index and gas permeability measurements have been performed. In all these studies, the percentage and the type of inert materials were independent variables, and the experiments have been designed in accordance with the two way factorial method. As to the results of dilatation experiments, it has been found that the most important variables were the ones mentioned above and that the type of lignite namely Çan /Tavan and Çan/Taban do not play a significant role on the free swelling index. It can be concluded from the results- quoted above that the coking capacity decreases with the inert percentage, and that the dilatation for the same inert per^ centage gives a maximum at TK 700 (şemicoke produced at 700°G) mixtures. Furthermore, the width of the plastic Zone decreases with increasing inert production temperature, Hence a maximum for the plastic layer has been found for TK 500 (semieqke produced at 500°G) mixtures, In free swelling index measurements, it has been found that not only the main variables mentioned above but also their interaction terms have been of significance. Again an increase in the swelling index for TK 7QQ mixtures has been recorded.- VII - The gas permeability tests have been perfqrmed in a modified Foxwell apparatus. The pressure dro-n oi a fixed coal bed has been recorded against bed temperature, and also the interparti cular capacity of coal particles has been investi gated. Here, it was also observed that the mixtures containing semi cokes which prepared at 700 C, have had the maximum inert b i n d i n g c a p a c i t y. The coking tests have been performed in Jenkner-Assay. It is known that the Jenkner retort and its furnace simulates the coke oven. To optimum size reerushed coal and coal mix tures have been pressed to the bulk density of pure Zonguldak coal. The retort has then been placed in to 700°C preheated furnace, The carbonization has been continued with a heating rate of 5°C/nrin. By means of a pressure controller mounted on the gasholder, the operation pressure has been held at at mospheric pressure. The tar and water have been collected in a tar trap which were cooled by water and the fixed gases in the gas holder. The volume of fixed gases were recorded by a gasmeter. The temperature of the coal charge has been measured at the wall and in the middle of the retort. Due to the resistance to heat transfer offered by the plastic layers, there, has been a 200 C temperature difference between the two thermocouples during the process. Aş the plastic zones met together, the temperature, in the middle rose rapidly, which was the indicator of the end of the operation. After the product coke and the retort were cooled~ VI I ı. - down to the room temperature;, the coke was chrushed and par ticles having 2,5 mm diameter were tested in an ASTM tumbler. The fraction left on 2 mm screen after 2 hours operation with 40 rpm has been defined as`coke stability.` The stabili zed coke was again rota Led with the same speed for 1. ' hour and the fraction remaining on a 1 mm screen was named as `coke hardness.` As to the result of tumbler tests, it was found that the strangest cokes were produced by making vise of mixtures containing semi cokes obtained at 500 C. A specially mixed coke having 10 % TK 500 has shown a maximum in stability with '36 %. The coke with 15 % TK 500 has had a stability factor which is fairly greater than pure Zonguldak coke. The stability and the hardness in mixed cokes using TK 700 and TK 900 drops linearly with inert content.` Investigations have shown that for all coals, the inert additives may have the following effects: (i) The fluidity of the plastic mass may be improved or reduced. (ii) The softening range is shifted to another tempe rature range and is either narrowed or widened. (iii) The ovulation of volatile matter may be shifted in relation to its location to the plastic range. (iv) The maximum degasif i cation rate can be lowered o r i n c r e a s e d, t h e r e f ore 1 1 1 e s w e 1 ling properties of prime c o king c o al c a n b e i n f 1 u e n c e d.- IX - (v) The yields of tar,, gas and other products may be changed, The couses of these effects, are not clear; however, the following are discussed in the literature : (i) Chemical reaction between coal and inert addi-- tives. (ii) Catalysis (iii) Interaction of the additive with the surface of the plastic coal particle, (iv) Change in the thermal conductivity of the plastic mass (v) Magnitude of the surface area of the inert. additives (vi) Change in the gas permeability of the plastic layer. As a general rule, small additions of materials that reduce tar and water formation during carbonization improve the caking properties, The results in the literature indicate that inert ad ditives such as coke breeze, CaO, MgO, SiCU, Aİ2O3 act to make the mixture leaner. Other materials (Fe2Ûo, H3BO3, MnCO enter into reactions with the coking coal. The authors have not found a definite limit. Additions of 2 % tar, pitches, phenols, ammonium carbonate and calcium sulfate increase dilation but higher amounts decrease dilatation. A reduction in the caking ability can be achieved by treatment with- X - alkalis. Trends similar to those in the literature have been observed in this study. With increasing lignite content the coke yield drops, In contrast, if semicpkes and coke breezes are used as inert additives, an increase in coke yield is achieved. The increase in coke yield is also proportional to the inert production temperature, The volatile matter content of semicokes decreases with the production temperature. The thermogravimetric investigations showed that the total weight loss around the re.solidif icat.ion point was higher for semico kes than for Zonguldak coal alone. This indicates that cataly sis has played an important role during mixed carbonization. With increasing semicoke production temperature the total sulfur decreases» whereas the pH values of eoal^water slurries increases. This fact indicates an increase in the alkalis content of inert ash, Therefore, the caking capacity in TK 700 and TK 900 mixtures have been decreased. Although the mixtures of the semicoke produced at 700PC and of Zongul dak coal have shown the dilatation, swelling index and gas permeability maximums, the cokes from the retort have not been strong enough. This disagreement can be explained by the fact the width of the plastic layer decreases with incresing inert production temperature or the gas permeability of the mentioned layer decreases due to alkali effects. In dilator metric experiments TK 500 mixtures have shown maximums for the plastic range.Sone authors claim that the most appropriate inert material would have a volatile matter content which would be similar to the volatile matter of the coking coal at or near its resolidif ication point. TK 500 has had a volatile, natter content which matches with the volatile matter of Zonguldak coal at the point mentioned above. Finally, a total of 15 % Çanakkale/Çan semicoke produ ced-at 500 C has been used as inert material in order to get mixed metallurgical coke with Zonguldak coal.