تزریق پودر زغال PCI (Pulverized Coal Injection)
در صنعت تولید آهن و فولادسازی به روش کوره بلند/کنورتور سوخت لازم و انجام فرایند احیا توسط کک تامین میشود. کک مورد مصرف در کوره بلند باید از خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی خوبی برخوردار باشد. کک گرانترین ماده شارژ شده به کوره بلند میباشد و یکی از تدابیر مناسب برای مقابله با کمبود کک، کاهش میزان مصرف کک با استفاده از سوخت‌های کمکی میباشد. کاهش مصرف کک به نوبه خود کاهش تولید کک و مصرف انرژی در کک سازی را به همراه دارد. به لحاظ زیست محیطی، کاهش تولید کک موجب کاهش انتشار ذرات و آلایندهها در اتمسفر و نیز کاهش هزینههای تعمیر و نگهداری باتریهای کک سازی میشود. تاکنون بیشترین کاهش مصرف کک مربوط به پودر زغال بوده است. تمامی وظایف کک در کوره بلند به جز وظیفه ایجاد نفوذپذیری مناسب را می‌توان با انواع مواد انرژی زا جایگزین نمود. نقش نفوذپذیری کک در کوره بلند با هیچ نوع سوخت دیگری قابل جایگزینی نیست و لذا حذف کامل کک از کوره بلند غیر ممکن است [۱و۲].
از آنجایی که حذف کک و فرایند کک سازی در روش تولید آهن و فولاد به روش کوره بلند امکانپذیر نیست، کشورهای مختلف تصمیم گرفتند با استفاده از سوخت‌های کمکی مناسب مصرف کک را کاهش دهند. با این کار هزینه تولید فولاد کاهش پیدا کرد و با دادن زمان استراحت بیشتر به باتریهای کک سازی، هم آلودگی‌های زیست محیطی آن کاهش پیدا کرد و هم امکان تعمیر و بازسازی آنها فراهم گشت.
رایج‌ترین سوخت‌های کمکی تزریقی در کوره بلند، گاز طبیعی، پودر زغال و گاز کوره کک سازی میباشد. تزریق سایر سوخت‌های کمکی مانند لاستیک باطله، نرمه کک، گاز کنورتور اکسیژنی و مازوت در اولویت‌های بعدی قرار دارد. سوخت‌های کمکی ذکر شده به جز پودر زغال تا حدی نیازهای فوق را برطرف کردند. اما هیچ یک نتوانستند مصرف کک را به طور عمده کاهش دهند در حالی که تزریق پودر زغال در کوره‌ها توانست مصرف کک را ۳۰ تا ۴۰ درصد کاهش دهد [۳].
اولین بار تزریق پودر زغال (PCI) در کوره بلند در دهه ۱۸۵۰ میلادی در کارخانه‌های فرانسه و بلژیک صورت گرفت. به تدریج سهم تزریق پودر زغال افزایش یافت و به رقم ۱۰ درصد از کل سوخت‌های مورد نیاز در کوره بلند رسید. در چند سال اخیر، تزریق پودر زغال رایج‌ترین روش استفاده از سوخت کمکی بوده و بالاترین ضریب جایگزینی را داشته و مصرف کک را به شدت کاهش میدهد. معمولا زغال‌هایی که درصد کربن ثابت بیشتری دارند، نسبت جایگزینی آنها بیشتر است. از عوامل تاثیر گذار در انتخاب نوع زغال جهت تزریق به کوره بلند علاوه بر درصد کربن ثابت، قابلیت خردشوندگی بالا (HGI) میباشد. از آنجا که زغالها می‌بایست در حد میکرون خرد شوند، قابلیت خردشوندگی آنها باید در حد بهینه باشد تا بتوان با یک سیستم مناسب و اقتصادی زغالها را خرد کرد. دانه بندی زغال، قابلیت احتراق و درصد مواد فرار نیز از عوامل تاثیر گذار در انتخاب نوع زغال است [۴و۵].
زغال انتخاب شده برای تزریق در کوره بلند در مرحله اول در اسیاب‌های فکی تا حدود ۵۰ میلیمتر خرد شده و سپس توسط آسیاب‌های گلوله‌ای به اندازه ۲۰ تا ۷۵ میکرون می‌رسند. خرد کردن زغالها در آسیاب‌ها در محیط خنثی نیتروژن و دور از اکسیژن انجام میشود تا زغالها دچار احتراق نشوند. از گاز خروجی کوره بلند و یا از سیستم گاز طبیعی برای خشک کردن زغال استفاده میشود. در این مرحله افزایش دما تا ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد باعث حذف رطوبت زغال میشود. پس از خشک کردن، با دمش گاز خنثی نیتروژن، پودر زغالها به سمت یک سیلو بزرگ هدایت شده و در آنجا انبار می‌شوند. این سیلوی بزرگ از پایین به دو سیلوی کوچکتر وصل میشود و برای هر مرحله تزریق مقدار مشخصی پودر زغال از سیلوهای بزرگ وارد سیلوهای کوچک شده و مقدار فشار لازم برای دمش این مقدار پودر زغال دمشی بطور اتوماتیک محاسبه میگردد. در این مرحله پودر زغال تحت دمش مقدار مشخصی گاز خنثی به داخل لوله مارپیچی شکل هدایت میشود. پودر زغال مسافتی در حدود ۸۰۰ متر را درون لوله مارپیچ طی کرده که هم پیشگرم شده و هم به سرعت آن اضافه میشود. سپس پودر با سرعت زیادی وارد دمنده یا تویر کوره بلند شده و به داخل ان تزریق میگردد [۶].
برای افزایش بهرهوری در کوره بلند، نرخهای تزریق بالا با بالاترین نسبت جایگزینی کک مطلوب است. اما افزایش تزریق ذرات جامد در کوره بلند میتواند باعث ناپایداری عملیاتی شود و بنابراین نیاز به انتخاب زغال سنگ مناسب و بهینه سازی پارامترهای عملیاتی دارد که به طور مستقیم به رفتار زغال سنگ حین احتراق مرتبط است [۷]. مقدار شارژ پودر زغال وابسته به کوره به شکل هندسی کوره، تاثیر آن بر کیفیت محصول کوره (آهن خام) و خواص حرارتی آن میباشد. بهرهوری در احتراق و واکنش زغال سنگ به عنوان پارامترهای مهم در کوره بلند در نظر گرفته میشود، زیرا مقادیر بیشتر زغال سنگ (زغال سنگ نسوز) مشکلات جدی را در عملکرد کوره ایجاد میکند. واکنش پذیری زغالها و مخلوط آنها در دستگاه آنالیز گرماسنجی اندازهگیری میگردد.
فرایند احتراق زغال در سیستم PCI شامل چند مرحله است که گاهی با یکدیگر همپوشانی دارند و گستره دمایی هر مرحله به خواص زغال و شرایط حرارتی بستگی دارد [۸]:
۱- گرمایش
۲- تبخیر آب
۳- سوختن مواد فرار
۴- گازی شدن و احتراق کربن
بر اساس سینتیک واکنشها، احتراق میتواند به طور مختصر به دو مرحله تقسیم شود: یک واکنش سریعتر مربوط به مصرف مواد فرار توسط اکسیژن و یک واکنش آهسته تر که شامل واکنش ناهمگن جامد-گاز کربن با اکسیژن و دی اکسید کربن است. بنابراین، ویژگیهای زغال سنگ مانند محتوای مواد فرار و اندازه ذرات بر شروع و گسترش واکنشها و در نتیجه بر راندمان احتراق تأثیر میگذارد. بررسی و مقایسه رفتار حرارتی دو زغال با مواد فرار زیاد و مواد فرار کم نشان داد که احتراق ذغال سنگ با مواد فرار کم که در اندازههای مختلف ذرات تهیه شده است، راندمان احتراق بالاتری را برای ریزترین محدوده اندازه ذرات بررسی شده (۲۵-۷۵ میکرومتر) نشان میدهد. در حالی که، احتراق برای محدوده اندازه قطعات ۲۵۰-۵۰۰ میکرومتر شبیه نمونههای بین ۲۵ تا ۷۵ میکرومتر بود که میتواند به خرد شدن ذرات درشت نسبت داده شود. راندمان احتراق این زغالها رابطه مستقیمی با محتوای مواد فرار نمونهها در شرایط آزمایش نشان داد. احتراق مواد فرار منجر به افزایش فشار داخل محفظه احتراق PCI شد. زغالهای با اندازه ذرات بزرگتر افزایش فشار کمتری را در داخل محفظه PCI نشان دادند و احتراق ذرات به زمانهای طولانیتر به تأخیر افتاد. با وجود اختلاف اندک در تغییرات بیشینه فشار برای دو زغال مختلف، مشخص شد که وقتی زغال سنگ با مواد فرار زیاد به حداکثر فشار میرسد، زغال با مواد فرار کم هنوز در ابتدای فرآیند بوده، که میتواند در پروفایل تشکیل گاز در آتشدان قابل توجه باشد. در حالتی که از مخلوطهای دو زغال استفاده شد، افزایش نسبت زغال سنگ با مواد فرار بالا در ترکیبات مخلوط، پروفایلهای تغییر فشار شعله ور شدن و سوزاندن زودتر از حد انتظار را نشان دادند [۸].