proceso de reducción

April 13, 2023

Formación Intensiva enProcesos de Reducción

COQUERIA

Carlos Zubillaga – Abril de 2008

Formación Intensiva en Procesos de Reducción – Coquería – Abril 2008Ternium | Carlos Zubillaga

2

Es un ensamble de muchos hornos bajo una misma construcción.

Se produce coque en cada horno, en flujo batch.

El mecanismo de combustión es altamente complicado por el elevado número de quemadores.

La carga y descarga es cada 5 hornos, para realizar la coquización los mas uniformemente posible.

La calidad de la mezcla de carbones (especialmente humedad) es un factor externo de perturbación muy importante.

Es altamente dependiente de la decisión humana, y con ello de la actitud.

Características de la Batería de coque


3

Descripción de la Batería de Coque

Hornos yParedes

Regeneradores

Sistema deCalentamiento


4

Descripción de la Batería de Coque

SOTANO

Techo

Pared de Calentamiento (N)

Horno ”N”

Regenerador (N)

Perfiles Grey

Nivel de solera

LADO ALTOHORNO

LADO SUPERUSINA

OBSERVANDO LA BATERIA DESDE EL LADO DESHORNADORA -LADO MAQUINA

Perfil GREY (N)

Canal de aireCanal de BFG


5

El proceso de Coquización


6

El Proceso de Coquización

Molécula típica de carbón y algunos ejemplos de probables reacciones que ocurren durantela pirolisis. – Coal, Coke, and Coal Chemicals, by Wilson and Wells.

S O

N

H

O

O

O O

O

C

O

N

H

HO

N

+ H2O + 2 H2 + CO

CH3

CH3

OH

CH

HHC

O

OH

OHH2 +

CH2

OCH2

O

H3C

CH3

CH3

OH+ CO

C

O

O

N

H

C

CH3

CH3

H

Formula mínimaC135 H97 O9 N S

Formula porcentualC = 84,3 %H = 5,1 %O = 7,5 %N = 1,5 %S = 1,6 %


7


1000

900

800

700

600

500

400

300

200

100

T °C

Horas

EVOLUCION DE LA TEMPERATURA EN EL CENTRO DE LA CARGA

Evaporación de la humedad

Formación de la capa plástica

Fin de la Coquización

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24Tiempo de Coquización

Tiempo de Residencia

Tiempo de Recocido

CARGA

DESHORNAMIENTO


8


Agua Amoniacal

vapor, succióndurante la carga

retorno decondensado

válvulaguillotina válvula

reguladorade presiónde barrilete

válvulacharnela

barrilete

cuello de cisne

tubomontante

termocupla

boca decarga

Fase gaseosa:Vapor: alquitrán, benzol, aguaGas: amoníaco, cianhídrico,sulfhídrico, hidrógeno, metanodióxido de carbono,monóxido de carbono

Fase líquida:alquitrán, benzol, Agua amoniacal solubiliza:Fenol, cianhídrico,Sulfhídrico, amoníaco, sales de amonio

80 ºC

500-800 ºC

mezcla de carbonesen etapa de coquización,en un horno

- Enfriamiento del gas de coque por saturación adiabática -

gas de coque crudo


9


Observación visual del Tiempo de coquización

TC

H2, 50 -55 %

CH4, 30 35 %

Caudal de Gas Crudo

Temperatura del Centro de la Carga

Tiempo de Máxima Temperatura de gases

Tmx

Deshornado

Tiempo, h

5 % o menos

85 %

Fenómenos en el fin del proceso de coquización


10


2

Tiempo, h

Temperatura, ºC

-Temperatura del COG y mezcla de carbón durante la coquización--Horno 154, nov. 1994, temp del COG-

6 8 12 18 204 10 14 2216

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

18h

22h

19htemperatura del centro de la carga,Residencia 18 hs.

Tiempo de Tmáxima

Tiempo de Residencia

= 0,75

Tc

deshornamiento

T tmax.

Tr


11

Detalle del Sistema de calentamiento

Conexiones Físicas entre Regeneradores y Flues – Flujo de Gases.


12

Detalle del Sistema de calentamiento

HUMOS HUMOS HUMOS HUMOS

GAS AIRE GAS AIRE GAS AIRE

VALVULAS DE HUMOS ABIERTA(Vástago Arriba)

CAJA DE GAS(Tapa Trabada)

CAJA DE AIRE(Tapa Conectada aSistema Inversión)

CALENTAMIENTO CON GAS DE ALTO HORNO

PARED DE CALENTAMIENTO

PERFIL GREYAIRE INGRESANDO AL

CANAL DE SOLERA DERECHOGAS INGRESANDO AL

CANAL DE SOLERA IZQUIERDO


13

Control del Calentamiento y Coquizaciónválvula

Esquema Comparativo entre Flujos por Cañería y Batería .

Gas Mixto

depósitos

cañería

válvula decontrol de

presión después

Batería

presióndespués

presiónen tiroResistencias al Flujo

grifos, placas orificios,y chapas perforadas

válvulasde humo válvula de

control detiro

Pd

Pt


14

Control del Calentamiento y Coquización

Batería

Gas Mixto

Ventaja: Retiro de servicio de cámaras decombustión sin cambio de parámetros.

Desventaja:Indiferencia ante los cambios de composición del combustible

Ventaja: Compensa cambios de composicióndel combustible.

Desventaja:Se modifican parámetros ante elretiro de cámaras de combustión.

Q =K” x d

1Pd - Pt

Pd

Control por Presión DespuésSide Main Pressure Control

Batería

Gas Mixto

Control por Flujo Calórico ConstanteThermal Input Control

QxPC

PC

Q x PC = K’K’

PCQ =


15


Control por Presión DespuésSide Main Pressure Control

Control por Flujo Calórico ConstanteThermal Input Control

K’

PCQ =

Control por Flujo TérmicoThermal Flow Control

Pd - PtIW x = K x f

ECUACION DE CONTROL POR FLUJO TERMICO

Pd = (K x f / IW) 2 + Pt

valor resultanteen automático

modificación manual, para

llevar el Tiempo de coquización

dentro de banda, con seteos del 1%

determinado porla composición

del gas combustible,o calorímetro,

lectura y procesa-miento permanentes

valor numérico cargadoen nivel 1 para cada Batería

valor reguladoen cada batería

Q =K”

1Pd - Pt

d

1

d

PCIW (Índice de Wobbe) =


16

Circuito de Gas de Alto Horno de Alimentación a Coquería.


Calderas

AH1

AH2

Analizador de BFG

H2, CO2, CO

Estación de Gas Mixto,adición deCOG o N2

BAT. 3BAT. 4BAT. 5

Pd = (K x f / IW) 2 + Pt

IWCalorímetro

Coquería

por cálculo:H2O ( XH2O = Pv/Pt)N2 (diferencia de 100)PC poder caloríficod densidadIW Índice de Wobbe


17

Control del calentamiento y CoquizaciónTemperatura de flues, º C

Tiempo de Residencia, h.

1300

115018 19 2320 21 22

1200

1250

6070

8090

10

30

20

40

607080

90 Mezcla Siderar25-35% RP

Combustible: GM

20 40 20 40 20 40 20 40 20 40 2040

8%, humedad

10%, humedad

14%, humedad

Pd

Pt

TC =0,578858 Tmx + 7,48267

Temp. de gas en el montanteTC

Tmx

Distribución+ - 25 °CCoquización

+ - 15 min.

Eje Central+ - 10 °C


18

Control del calentamiento y Coquización


19


PERDIDASPUERTAS LC

PERDIDASREG. LC

Q COQUE

GAH

PERDIDASPÚERTAS LM

PERDIDASREG. LM

CARBON Y H2O

GCO

PERDIDASTECHOPERDIDASTECHO

PERDIDASPUERTAS LC

PERDIDASREG. LC

y SUB.Q. GCO

Q HUMOS

PERDIDASSOTANO

H2O 45 % coque

15 % humedad

15% Gas de coque

3% subproductos

1 % otros

15 % humos

6 % pérdidas

Humedad +- 1 % +- 1,9 %

Temp humos +- 10 ° C +-1 %

Carga +- 1 % +- 0,9 %

% O2 en humos +- 1 % +- 0,9 %

Temp. Flue +- 10 °C +- 0,7 %

MV mezcla +- 1% +- 0,1 %

MV coque +- 0,1 % despreciable

Perturbaciones, Sensibilidad del Modelo

Poder Cal. BFG +- 5 % +- 5 %

Masa Batería(10000 t) +- 10 ° C/día - 2,85 %

Masa carbón/coque(1200 t) +- 10 °C/día +- 0,5 %

Incidencia en la demanda térmica

21 %

79 %

Distribución Energética


20

Subproductos

S O

N

H

O

O

O O

O

CO

O

N

HC

O

N

H

HO

N

+ H2O + 2 H2 + CO

OCH2

CH2

O

OH

OHH2 +

CH3

CH3

OH

HCHCH

O

H3C

CH3

CH3

OH+ CO

CCH3

CH3

H

Molécula típica de carbón y algunos ejemplos de probables reacciones que ocurren durantela pirolisis. – Coal, Coke, and Coal Chemicals, by Wilson and Wells.

Formula EmpíricaC135 H97 O9 N S

ComposiciónPorcentualen MasaC = 84,3 %H = 5,1 %O = 7,5 %N = 1,5 %S = 1,6 %


21

Subproductos

CH2H2C

H2C

H2

C

CH2

CH2

CH2 CH CH3 + CH2 CH CH3

CH2H2C

H2C

H2

C

CH2

CH2

+ 3 H2

CH4 C + 2H2

CH3 CH2 CH3 CH4 + CH2 CH2

Reacciones de cracking térmico


22

Subproductos

500 600 700 800 900 1000 1100

Temperatura de Coquización, ºC

70

60

50

40

30

20

80

5

10

0

H2, Hidrógeno

CH4, Metano

CO, Monóxido de Carbono

C2H6, Etano

H

idró

geno

y M

etan

o

% V

/ V

Mon

óxid

o de

Car

bono

y E

tano

%

V /

V

15

Composición del COG producido a varias temperaturas de coquización. Ensayo en Retorta.

-Coal, Coke, and Coal Chemicals, by Wilson and Wells-

Rendimiento de Coque y Productos Químicos a diferentes temperaturas de coquización.Ensayo en Retorta. -Coal, Coke, and Coal Chemicals, by Wilson and Wells-

500 600 700 800 900 1000 1100


80

14

12

10

8

90

2

4

0

Alquitrán

Coque

Sulfato de Amonio

COG

6

70

300

200

100

50

150

400

350

250

Benzol

Coq

ue%

P /

PS

ulfa

to d

e A

mon

ioK

g./ t

de

carb

ónA

lqui

trán

y B

enzo

l10

l / t

de

carb

ón

Gas

de

Coq

uem

3 / t

de

carb

ón

Rendimiento de Coque y Productos Químicos a diferentes temperaturas de coquización.Ensayo en Retorta. -Coal, Coke, and Coal Chemicals, by Wilson and Wells-

500 600 700 800 900 1000 1100


500 600 700 800 900 1000 1100


80

14

12

10

8

90

2

4

0

Alquitrán

Coque

Sulfato de Amonio

COG

6

70

300

200

100

50

150

400

350

250

Benzol

Coq

ue%

P /

PS

ulfa

to d

e A

mon

ioK

g./ t

de

carb

ónA

lqui

trán

y B

enzo

l10

l / t

de

carb

ón

Gas

de

Coq

uem

3 / t

de

carb

ón


23

Subproductos


24

Subproductos

a desbenzolado II

ENFRIADORES II ENFRIADORES I

LINEA I

LINEA II

I

II

IIIASPIRADORES

ELECTROFILTROS

I

SULFATO- II

gas de coque limpio

II III PT

2153

PT

2300

PT

2302

PCV 2306A

PCV 2306B

IVPCV 2306C

BATERIA 2

a desbenzolado I

BATERIA 4 BATERIA 4 BATERIA 3

Diagrama de Flujo desde bateríasHasta aspiradores


25

Subproductos

POTE SELLO

ABSORBEDORC 2401

H2SO4H2O

POTE SELLO

Vapores amoniacales

Tanque deSedimentación

V 2403

CentrífugaG 2402

Separador de Gotas

G 2401

Bombas de Recirculación

P 2401

Bombas de Extracción

P 2405

rebose

By pass

Tanque deRecirculación V 2404

Pote Sobre Centrífuga

V 2403

calentadorventilador

ciclón

extractor

Sulfato de Amonio2,5 t/h, diseño

secadero

Planta de Sulfato de Amonio


26

Subproductos

aceite desbenzolado, 80 m3/h, 29 °C. aceite libre de naftalina, 3-4 m3/h, 18-21 °C.

aceite benzolado, a planta de benzol

ejemplo,temp. salidaEnf. Prim. 27°C

33°C

27°C

COG,50000 Nm3/h

32°CLavador deNaftalina

Calentador E 2501

34°C

29°C

Lavador IC 2601 A

Lavador IC 2601 B

Enfriador Final C 2501

Circuito de Lavado de Benzol y Naftaleno

P 2603 A/BP 2602 A/B

P 2502

P 2601 E

P 2601 D

P 2

601

A

P 2601 C

P 2

601

B

P 2601 F

P 2

601

G

P 2601 H

P 2601 J

50°C

G 2501 A

G 2501 B

G 2501 CG 2601


27

Subproductos

Efecto de la Adición Selectiva de Nitrógeno sobre las Propiedades del COG.

Sistema de Inyección Selectiva de Nitrógeno

Alimentaciónde nitrógeno(0-2000 m3N/h)

DN 80

entrada al soplador

aspirador

detección de gas denso, QNX

Instalaciones de limpieza del gas

FCV 2802 FIT

2801 TT 2806

TT 2805

FCV2801

SopladorP 2801A/B

a despachoA/B

A/B

a gasómetroy baterías

FT 2802

FT 2801

FTN 2307

adición de nitrógeno

llegada de gas de coque

PLC

SV 2801

entrada al soplador

densidadKg /Nm3

22%

17%

6%

Situación Inicial,COG sin adición

10%

2%

6%

0,3974

0,32523830

36206716

57425742

6108

3620

3676

0,3974

0,3622

COG con adición de N2,4 % en el valle y 0 % en domo

Poder CaloríficoKcal /Nm3

Índice de WobbePC/d1/2


28

Subproductos

Depósito duro, negro, opaco, 70% S2HS + O2 2S + H2Ocatalizada por Fe2O3.H2O.SOPLADOR

H2O(l)H2SHCNNH3

O2

Formación de TiocianatosNH4 SCN

camino del polisulfuroNH3 + HCN + XS + NH4 CN NH4 SCN + (NH4)2SX

oxidación directaH2S + HCN + 1/2 O2 HSCN + H2ONH3 + HSCN NH4 SCN

Reacciones de formación de tiocianatos, condición acuosa

Fe + NH4 SCN Corrosión + Depósitosazul de prusia, ferrocianuros complejos, sulfuros de hierro

Despacho de COG

H2O(l)H2SHCNNH3

O2







Reacciones de formación de tiocianatos, condición acuosa



Despacho de COG Despacho de COG

Calentador deLACA


29

Subproductos

2 ( NH4+

(ac) + O2(g) + 1e ½ N2(g) + 2 H2O ) semiecuación de Reducción

Fe(s) Fe++(ac) + 2e semiecuación de Oxidación

2 NH4+

(ac) + 2 O2(g) + Fe (s) Fe++(ac) + N2(g) + 4 H2O G = - 1019 kJ

Cu (s) Cu++ (ac) + 2e

Ingreso de aire

Agua amoniacal

agua amoniacal y aire,altamente corrosivo

-Ingreso de aire por falta de regulación de nivel--caso en cañería de envío desde fosa de agua amoniacal-

H2H2

H

HH

H H2H2

zona afectada

por la temperatura.

ARCO

-Mecanismo del cracking por hidrógeno en soldaduras-

H2SHS-

H+

Fe++

-Difusión del hidrógeno atómico por el borde de grano-

H

H + H H2


30

Subproductos

válvulacerrada

EntradaElectrofiltro I

EntradaElectrofiltro II

COG a Aspiradores,Línea I

COG de Enfriadores II

DN 1200 DN 1000

Densidad: 0,714 kg/lInsolubles en xileno: 12,92 %P/PEfecto del vapor: se licua

Densidad: 0,546 kg/lInsolubles en xileno: 13,38 %P/PEfecto del vapor: se licua

- Depósitos el zonas estancadas de línea COG .Salida de Electrifiltros, Siderar 1993 -

EntradaElectrofiltro III

F/S

COG de Enfriadores I

Saturacion de COG con Naftaleno

0

50

100

150

200

250

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Tem peratura [ ° C]

gr

Na

fta

len

o/

10

0 N

m3

CO

G

proceso de reducción

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