Optimización de la Carbonización del Carbón para Coque Metalúrgico de Alta Calidad

Carbonización del Carbón para Producción de Coque Metalúrgico

La carbonización del carbón también se conoce como coquización del carbón. El proceso consiste en la descomposición térmica de carbones ya sea en ausencia de aire o en atmósfera controlada para producir un residuo carbonáceo conocido como coque.

Rangos de Temperatura de Carbonización

La carbonización del carbón puede llevarse a cabo en los siguientes tres rangos de temperatura.

• Carbonización a baja temperatura se lleva normalmente a cabo en el rango de temperatura de 500 °C a 700 °C. En este tipo de carbonización, los rendimientos de productos líquidos son más altos y hay menor rendimiento de productos gaseosos. El coque producido tiene mayor materia volátil y es de libre combustión.
• Carbonización a temperatura media se hace en un rango de temperatura de alrededor de 800 °C. Esta carbonización produce coque blando sin humo. Los subproductos producidos son similares en características a la carbonización a alta temperatura. La carbonización a temperatura media rara se practica hoy en día.
• Carbonización a alta temperatura se lleva a cabo a una temperatura superior a 900 °C. Esta carbonización da mayor rendimiento de productos gaseosos y menor rendimiento de productos líquidos. Esta carbonización produce coque duro y se emplea normalmente para la producción de coque metalúrgico a partir de carbones coquizables.

Proceso de Carbonización del Carbón

La transformación de carbón a coque tiene lugar a medida que el carbón se calienta. Cuando se alcanza el estado de fusión, la capa de carbón calentado se ablanda y funde. Desde aproximadamente 375 °C a 475 °C, el carbón se descompone para formar capa plástica. Las reacciones de destilación destructiva proceden rápidamente en la capa plástica con evolución de productos volátiles. A aproximadamente 475 °C a 600 °C, hay una evolución marcada de alquitrán y compuestos hidrocarburo aromáticos. El gas y vapor condensable quedan atrapados en la masa plástica y, al expandirse, tienden a hincharla. A medida que las reacciones proceden y la temperatura de la zona fundida aumenta, la plasticidad del carbón disminuye. Con el calentamiento continuo y evolución del gas, la capa fundida se resolidifica gradualmente en semi-coque con estructura celular típica de coque. El coque en esta etapa aún contiene materia volátil sustancial. A medida que la temperatura aumenta más allá de 600 °C, la reacción de destilación destructiva continúa con la evolución de gas y un poco de alquitrán. La estabilización del coque tiene lugar a medida que la temperatura aumenta de 600 °C a 1100 °C. Esto se caracteriza por contracción de la masa de coque, desarrollo estructural del coque y evolución final de hidrógeno. En esta etapa tienen lugar las reacciones finales. Estas reacciones separan hidrógeno de hidrocarburos de peso molecular extremadamente alto y complejos. Con el aumento de la temperatura, la masa de coque se encoge con el desarrollo de grietas de contracción.

El Mecanismo de Coquización

Cuando los carbones coquizables se carbonizan, primero se forma la masa plástica de isótropo óptico, y posteriormente se forman gradualmente cristales líquidos nemáticos laminares. Esta fase polimérica se llama mesofase. Esta es la fase intermedia entre el fluido de carbón isótropo y el semi-coque anisótropo sólido finalmente formado a partir de la mesofase, y tiene propiedades que son intermedias entre sólidos y líquidos. Si la fluidez de la fase intermedia es bastante alta, la mesofase se coalesce inmediatamente en una única unidad mayor. En un rango de temperatura creciente, la mesofase se forma continuamente, crece en tamaño y finalmente se tocan entre sí. Así, la mesofase puede solidificarse y convertirse de carbón coquizable en textura anisótropa óptica de coque.

Historia de los Carbones Coquizables

El coque se produjo en la antigua China según fuentes históricas que datan del siglo IV. El pueblo chino usó primero el coque para calefacción y cocina no más tarde del siglo IX. En 1709 se estableció un alto horno alimentado con coque para producir hierro fundido en Gran Bretaña. Durante principios del siglo XVIII, el coque se fabricaba quemando carbón en montones en el suelo de tal manera que solo la capa externa se quemaba, dejando el interior del montón en un estado carbonizado.

El proceso «Hearth» de fabricación de coque, usando carbón en trozos, continuó usándose en muchas áreas durante la primera mitad del siglo XIX. Este proceso era similar al de quema de carbón vegetal pero usando un montón de carbones cubierto con polvo de coque en lugar de un montón de madera preparada, cubierto con ramitas, hojas y tierra.

Estos condujeron posteriormente al desarrollo de hornos de colmena de diferentes formas y tamaños para satisfacer las crecientes demandas de coque duro para fundición de hierro.

Hornos de Colmena

Un horno de colmena es una cámara simple de ladrillo refractario construida con un techo abovedado de modo que la forma interior es la de una colmena antigua. Sus dimensiones son típicamente 4 m de ancho y 2,5 m de altura. Los hornos de colmena usualmente se construyen en filas, un horno al lado de otro con paredes comunes entre hornos vecinos. Tal fila de hornos se denomina batería. Una batería usualmente consta de muchos hornos, a veces cientos, en una fila. La sección transversal típica de un horno de colmena se muestra en la Fig. 1.

Fig. 1 Sección transversal típica de un horno de colmena

Vías de ferrocarril para manejo del carbón a los hornos corrían a lo largo de las tapas; y otras vías para manejo de vagonetas de coque corrían junto a los hornos. El techo tiene un agujero para cargar el carbón u otro encendido desde la parte superior. El agujero de descarga se provee en la circunferencia de la parte inferior de la pared.

El carbón se carga en un horno vacío a través del agujero en el ápice de la cúpula. Forma un montón en forma de cono que se nivela a una capa uniforme mediante un rastrillo pasado a través de la puerta para producir una capa uniforme de aproximadamente 600 mm a 900 mm de profundidad.

El proceso de carbonización se inicia por medio del calor retenido en las paredes del horno de la carga anterior de carbón. Casi inmediatamente después de la carga, gas consistente en materia volátil se produce del carbón. El aire para la combustión se admite a través de una abertura en la parte superior de la puerta del horno o a través de la puerta lateral. El inicio de la carbonización produce materia volátil que se quema dentro de la puerta lateral parcialmente cerrada. La carbonización procede de arriba hacia abajo. El calor es suministrado por la quema de materia volátil, por lo que no se recuperan subproductos. Los gases de escape se dejan escapar a la atmósfera.

El tiempo de coquización, que depende en gran medida de la profundidad de la capa de carbón, varía de 48 a 72 horas. A medida que la coquización procede, el volumen de gas evolucionado disminuye, y el tamaño de la abertura en la puerta se disminuye correspondientemente o introduciendo ladrillos en la abertura superior. Esto regula la cantidad de aire y previene la entrada de un volumen excesivo de aire, que de otro modo quemaría parte del coque y podría ser suficiente para enfriar el horno también.

El coque caliente se apaga con agua y se descarga manualmente a través de la puerta lateral. Cuando la coquización está completa, la puerta se abre y el coque blanco caliente se apaga con chorro de agua dirigido a través de la abertura. El coque apagado se rastrilla del horno manualmente y se carga en vagones de tren para transporte. Las paredes y el techo retienen suficiente calor para iniciar la carbonización de la siguiente carga.

Cuando el carbón se quema en un horno de coque, las impurezas del carbón no ya expulsadas como gases se acumulan para formar escoria, que es efectivamente una conglomeración de las impurezas removidas. Como no es el producto de coque deseado, la escoria se descarta o se usa como ingrediente en fabricación de ladrillos, cemento mixto, e incluso como fertilizante.

Los hornos nuevos se llevan a temperatura calentando con carbón o madera antes de cargar.

La coquización en colmena es ahora un proceso obsoleto debido a la pequeña cantidad que fabricaba y la cantidad muy grande de contaminación que producía. Sin embargo, todavía se está usando.

Baterías de Hornos de Coque con Subproductos

La máxima cantidad de producción global de coque proviene de estas baterías. El carbón en estas baterías se carboniza en ausencia de aire y estas baterías se operan con presión positiva en los hornos. El proceso de fabricación de coque en estas baterías de hornos de coque se llama fabricación de coque con subproductos ya que el gas de escape se recoge y se envía a la planta de subproductos donde se recuperan varios subproductos. La mayoría de las baterías de hornos de coque con subproductos están integradas en una planta de hierro y acero para el propósito de gas de horno de coque.

Detalles de la fabricación de coque en baterías de hornos de coque con subproductos y planta de subproductos de horno de coque se dan en artículos separados bajo los enlaces https://www.ispatguru.com/coke-making-in-byproduct-coke-oven-batteries/ y https://www.ispatguru.com/coke-oven-by-product-plant/.

Baterías de Hornos de Coque sin Recuperación

En las baterías de hornos de coque sin recuperación, el carbón se carboniza en grandes cámaras de horno. El proceso de carbonización tiene lugar desde la parte superior por transferencia de calor radiante y desde la parte inferior por conducción de calor a través del suelo del horno. El aire primario para la combustión se introduce en la cámara del horno a través de varios puertos ubicados por encima del nivel de carga en ambas puertas del lado empujador y lado coque del horno. Los gases parcialmente combustidos salen de la cámara superior a través de pasajes «down comer» en la pared del horno y entran en el canal del suelo, calentando así el suelo del horno. Los gases combustidos se recogen en un túnel común y salen a través de una chimenea que crea un tiro natural en el horno. Como los subproductos no se recuperan, el proceso se llama fabricación de coque sin recuperación. En estas baterías usualmente el gas de escape sale a una caldera de recuperación de calor residual que convierte el exceso de calor en vapor para generación de energía, por lo que este proceso también se llama fabricación de coque con recuperación de calor. Detalles de la fabricación de coque en baterías de hornos de coque sin recuperación se dan en artículo separado bajo el enlace https://www.ispatguru.com/non-recovery-coke-ovens-battery/.