Optimización de la Producción de Coque en Baterías de Hornos de Coque de Subproductos

El coque representa hasta el 50% de los costos durante la producción de arrabio. La producción rentable de coque de alta calidad es, por tanto, de importancia primordial para la capacidad competitiva de la producción de hierro.

El coque metalúrgico se usa en procesos de la industria del hierro y acero (principalmente en altos hornos) para reducir mineral de hierro a hierro. Más del 90% de la producción total de coque se dedica a operaciones de alto horno. El coque de fundición comprende la mayor parte del balance y se usa en fundiciones para fundir metal y preparar moldes. La producción de coque de fundición usa diferente mezcla de carbones coquizables, tiempos de coquización más largos y temperaturas más bajas relativas a las usadas para coque metalúrgico.

Proceso de Coquización en Baterías de Subproductos

La mayor parte del coque se produce en el mundo usando baterías de hornos de coque de subproductos y la mayoría de las plantas de coque están integradas con instalaciones de producción de hierro y acero.

La fabricación de coque calentando carbón en ausencia de aire tiene sus orígenes al inicio de la revolución industrial cuando Abraham Darby lo usó en la fundición de minerales en 1709 en Inglaterra. El método inicialmente era el mismo que para producción de carbón vegetal: apilar carbón en montones redondos, encenderlos y cubrir los lados con arcilla. Esto sentó las bases para la coquización en hornos de colmena (beehive). Avances graduales llevaron al desarrollo de hornos de colmena, reverberatorios y de subproductos, culminando en hornos de coque regenerativos con recuperación de subproductos hace alrededor de un siglo.

El carbón se convierte en coque en grandes baterías de hornos por destilación destructiva. El proceso consiste en calentar el carbón en ausencia de aire para expulsar compuestos volátiles. El material resultante es una masa de carbono llamada coque, un material de carbono duro pero poroso. El horno de subproductos recupera la materia volátil del carbón en forma de gas de coque, alquitranes y aceites.

Hay tres procesos probados para fabricación de coque metalúrgico:

• Hornos de colmena (beehive). Son hornos sin recuperación.
• Hornos de recuperación de calor o energía. También llamados a veces hornos sin recuperación.
• Hornos de coque de subproductos

El proceso de coquización de subproductos implica carbonización de carbón a altas temperaturas en atmósfera sin oxígeno. El proceso remueve materia volátil y concentra el carbono. En este proceso, el gas de escape se recolecta y envía a la planta de subproductos donde se recuperan varios subproductos (gas de coque, alquitrán, amoníaco, benceno crudo).

Una planta de hornos de coque de subproductos tiene tres secciones principales: planta de manejo y preparación de carbón, baterías de hornos con instalaciones de enfriamiento de coque, y planta de trituración y clasificación de coque. El flujo de proceso típico y corrientes de emisión se muestran en Fig. 1.

Fig. 1 Flujo de proceso típico y corrientes de emisión

Carbones Coquizables y Factores que Afectan la Calidad

El carbón coquizable es materia prima importante en la producción de coque en hornos de subproductos ya que decide las propiedades del coque. Las propiedades requeridas son: tamaño uniforme, buena resistencia (CRI, CSR y valores micum), porosidad con materia volátil mínima y ceniza mínima.

El carbón puede clasificarse según sus propiedades coquizables: carbón coquizable primario, medio, semi o bajo. Las propiedades para producir buen coque incluyen: fluidez, dilatación, número de hinchamiento de crisol, valor Gray King, rango indicado por valor medio de reflectancia máxima (MMR), vitrinita y distribución de vitrinita (V9-V14). Además, otras propiedades importantes: humedad, ceniza, azufre, fósforo, porcentajes de álcalis y temperatura de fusión de ceniza. Bajos contenidos de humedad, ceniza, azufre y fósforo son deseables. Otras propiedades que afectan la calidad: tamaño de partícula, densidad aparente, y envejecimiento (weathering) del carbón. Los carbones también pueden tener materia volátil baja, media o alta. Temperatura de coquización, velocidad, tiempo de empapado (soaking), práctica de enfriamiento y manejo del coque también afectan la calidad.

El carbón cargado a los hornos suele ser una mezcla de dos o más carbones coquizables. La mezcla es requerida para controlar propiedades del coque resultante, optimizar calidad y cantidad de subproductos, y evitar la expansión exhibida por ciertos carbones que puede causar presión excesiva en las paredes durante la coquización.

Planta de Manejo y Preparación de Carbón

Prepara mezcla de carbón adecuada para carbonización. Pasos: descarga y almacenamiento, mezcla de carbones de varias calidades, trituración y transporte a torre de almacenamiento.

Cintas transportadoras transfieren carbón desde almacenamiento a tolvas de mezcla donde se almacenan los diversos tipos. La mezcla se transfiere a la trituradora donde se pulveriza a normalmente -3 mm.

El carbón pulverizado se mezcla y, a veces, se añade agua y aceite para controlar la densidad aparente de la mezcla. La mezcla preparada se transporta a la torre de almacenamiento en la parte superior de la batería.

El carbón necesita almacenarse en varias etapas y transportarse alrededor de la sección de preparación. Trituración y cribado son partes importantes. La trituración reduce el tamaño total para procesamiento y manejo más fácil. Las cribas rangan el tamaño. Pueden ser estáticas o vibradas mecánicamente.

Baterías de Hornos de Coque de Subproductos

Los hornos son cámaras de refractarios para convertir carbón en coque carbonizándolo en ausencia de aire y destilando la materia volátil. La planta consiste en una o más baterías conteniendo número de hornos (20 a 100 por batería). El carbón se carga a través de agujeros de carga. Sección transversal típica de batería de 7 m se muestra en Fig. 2.

Fig. 2 Sección transversal típica de batería de horno de coque de 7 m

Una cantidad pesada de carbón se descarga de la torre a un coche de carga, que viaja a lo largo de la batería. El coche se posiciona sobre el horno vacío y caliente, se quitan las tapas de los agujeros de carga y el carbón se descarga de las tolvas al horno.

Para minimizar escape de gases durante la carga, se usa aspiración de vapor para atraer gases del espacio sobre el carbón cargado hacia el colector principal. La descarga es "escalonada" controlando la secuencia de vaciado de cada tolva para evitar picos de carbón que bloqueen el espacio sobre el carbón, dificultando la remoción de gases generados. Cerca del final de la secuencia, los picos se nivelan con una barra de acero voladiza desde el coche empujador a través de una pequeña puerta lateral, llamada puerta niveladora. Este proceso ayuda a coquización uniforme y proporciona espacio de vapor claro y túnel de salida para gases que evolucionan durante la coquización fluyan al sistema de recolección. Tras cargar, se cierra la puerta niveladora, se reemplazan y sellan (lutado) las tapas con arcilla húmeda, se apaga la aspiración y los gases se dirigen al sistema de toma y colector principal.

Proceso de Carbonización del Carbón

La transformación de carbón a coque comienza. El calor se transfiere desde paredes de ladrillo calentadas hacia la carga. Desde ~375-475 °C, el carbón se descompone formando capas plásticas cerca de cada pared. A ~475-600 °C, hay evolución marcada de alquitrán e hidrocarburos aromáticos, seguida de re-solidificación de la masa plástica en semi-coque. A 600-1100 °C, comienza la fase de estabilización del coque: contracción de la masa, desarrollo estructural y evolución final de hidrógeno. Durante la etapa plástica, las capas se mueven desde cada pared hacia el centro atrapando gas liberado y creando acumulación de presión transferida a la pared de calentamiento. Una vez que las capas se encuentran en el centro, toda la masa ha sido carbonizada. El coque incandescente es empujado y enfriado por vía húmeda o seca.

La destilación térmica ocurre en grupos de hornos llamados baterías. Una batería consiste en hornos adyacentes con paredes laterales comunes de sílice de alta calidad y otros ladrillos refractarios. La pared que separa hornos adyacentes, así como cada pared final, está compuesta por una serie de conductos de calentamiento. En cualquier momento, la mitad de los conductos en una pared queman gas mientras la otra mitad conducen calor residual de los conductos de combustión a un intercambiador de calor de "ladrillos de chequer" (checker brick) y luego a la chimenea. Cada 20-30 minutos la batería "invierte" (reverses), y los conductos de calor residual se convierten en de combustión y viceversa. Esto proporciona calentamiento más uniforme de la masa de carbón. La operación de cada horno es cíclica, pero la batería contiene suficientes hornos para producir flujo esencialmente continuo de gas de coque crudo. Los hornos individuales se cargan y vacían en intervalos aproximadamente iguales durante el ciclo. La coquización dura 15-18 horas para coque de alto horno. El tiempo se determina por la mezcla, humedad, tasa de subfuego y propiedades deseadas. Cuando la demanda es baja, los tiempos pueden aumentarse a 24 horas. Las temperaturas generalmente oscilan 900-1100 °C, mantenidas en el lado alto para coque de AH. El aire se previene manteniendo presión positiva en el colector principal. Los hornos se mantienen bajo presión positiva manteniendo presión hidráulica alta de ~10 mm columna de agua. Los gases e hidrocarburos que evolucionan se remueven por el sistema de toma y se envían a la planta de subproductos para recuperación.

La coquización está completa cuando la temperatura central es ~950-1000 °C. En este punto, el horno se aísla del colector principal y, tras ventilar gases residuales, se abren las puertas para empuje. Al final del ciclo, la masa tiene alta contracción volumétrica lo que lleva a desprendimiento de las paredes asegurando empuje fácil.

El control de presión es importante: presión baja permite entrada de aire; alta causa gasificación excesiva, fugas de puertas, tubos de pie, etc. El nivelado adecuado es importante manteniendo espacio libre superior (~300 mm) para evitar atascamiento.

Al final del ciclo, se quitan las puertas en ambos extremos y el coque incandescente es empujado por un ariete extendido desde la máquina empujadora. El coque es empujado a través de una guía a un coche de enfriamiento. Este lleva el coque a torre de enfriamiento húmedo o planta de enfriamiento seco donde se enfría.

Planta de Trituración y Clasificación de Coque

El coque enfriado se lleva por transportador a planta de trituración y cribado (planta de trituración y clasificación). Aquí se tritura y criba a las fracciones de tamaño requeridas. Durante el proceso, el coque se clasifica en tres fracciones: brisa de coque (tamaño -10 mm), coque nuez (+10 mm a -25 mm) y coque de alto horno (+25 mm a -80 mm). El coque de AH dimensionado y coque nuez se transportan a sus respectivos sistemas de almacenamiento en el AH. La brisa se envía a la planta de sinter.