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Dokumentenidentifikation DE102006004669A1 09.08.2007
Titel Koksofen mit optimierter Steuerung und Verfahren zur Steuerung
Anmelder Uhde GmbH, 44141 Dortmund, DE
Erfinder Schücker, Franz-Josef, 44577 Castrop-Rauxel, DE;
Kim, Ronald, 45144 Essen, DE
DE-Anmeldedatum 31.01.2006
DE-Aktenzeichen 102006004669
Offenlegungstag 09.08.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.08.2007
IPC-Hauptklasse C10B 21/10(2006.01)A, F, I, 20060131, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Verkokungsofen in Flachbauweise, einen so genannten Non-Recovery- oder Heat-Recovery-Verkokungsofen, der mindestens eine Messvorrichtung zur Konzentrationsmessung von Gasbestandteilen der Koksofenkammer, der Koksofensohle und/oder des Abgaskanals aufweist und bei welchem auf Basis dieser Daten über einen Prozessrechner die optimale Zuführung von Primär- und/oder Sekundärluft ermittelt und geregelt wird. Ebenso ist von der Erfindung ein Verkokungsverfahren unter Einsatz eines solchen Verkokungsofens umfasst.

Beschreibung[de]

Koksofen mit optimierter Steuerung und Verfahren zur Steuerung

Die Erfindung betrifft einen Koksofen in Flachbauweise, einen so genannten Non-Recovery- oder Heat-Recovery-Koksofen, der mindestens eine Messvorrichtung zur Konzentrationsmessung von Gasbestandteilen der Koksofenkammer, der Koksofensohle und/oder des Abgaskanals aufweist und bei welchem auf Basis dieser Daten über einen Prozessrechner die optimale Zuführung von Primär- und/oder Sekundärluft ermittelt und geregelt wird. Ebenso ist von der Erfindung ein Verkokungsverfahren unter Einsatz eines solchen Verkokungsofens umfasst.

Die Beheizung von Heat-Recovery-Öfen erfolgt üblicherweise durch Verbrennung des bei der Verkokung entstehenden Gases beziehungsweise der leichtflüchtigen Anteile der zu verkokenden Kohle. Die Verbrennung wird dabei so gesteuert, dass ein Teil des Gases oberhalb der Kohlecharge mit Primärluft in der Ofenkammer verbrennt. Dieses teilverbrannte Gas wird über Gaskanäle, welche auch als "Downcomer" bezeichnet werden, der Sohle der Ofenkammer zugeführt und hier durch Zugabe weiterer Verbrennungsluft, der Sekundärluft, vollständig verbrannt.

Auf diese Weise wird der Kohlecharge Wärme direkt von oben und indirekt von unten zugeführt, was sich vorteilhaft auf die Verkokungsgeschwindigkeit und damit auf die Leistung der Öfen auswirkt. Zur Durchführung des Verfahrens ist es erforderlich, dass zugeführte Primärluft und Sekundärluft, exakt bemessen und über die Dauer der Garungszeit, welche bis zu 96 Stunden dauern kann, veränderlich gesteuert wird. Es sind im Stand der Technik Heat-Recovery- und Non-Recovery-Koksöfen in Flachbauweise weitreichend beschrieben. Beispielhaft seien hier US 4,344,820, US 4,287,024, US 5,114,542, GB 1 555 400 oder CA 2 052 177 C genannt.

Nach herkömmlichem Stand der Technik wird aus der Atmosphäre die Primärluft durch Öffnungen in den Türen eingesaugt. Die Sekundärluft wird durch bodennahe Öffnungen eingesaugt und über Kanäle in die Heizzüge geleitet, welche im wesentlichen horizontal unter der Koksofenkammer verlaufen. Die Öffnungen für Primär- und Sekundärluft sind entweder permanent geöffnet oder mit Klappen zur Einstellung der anzusaugenden Luftmenge versehen.

Da die Ofenbatterien sehr weitläufig sind, in der Regel eine sehr hohe Temperatur vorherrscht und eine starke Schmutzentwicklung gegeben ist, sind im Stand der Technik nur manuell verstellbare Lüftungsklappen offenbart. In US 5,928,476 ist eine derartige Koksofenbatterie dargestellt, wobei in jeder Koksofentür drei manuell zu bedienende Öffnungen vorgesehen sind, in oder vor denen je eine an den Öffnungsquerschnitt angepasste und an einer Mittelachse gelagerte Platte oder Scheibe angeordnet ist. Diese Öffnungsklappen sind über Hebel in ihrer Position manuell veränderlich.

In der DE102005055483.0-24 der Anmelderin, wird ein zentrales Stellelement offenbart, dass eine kontinuierliche Regelung der Primär- und der Sekundärluft ermöglicht.

In der Praxis zeigte sich jedoch, dass bei den bekannten Koksöfen, wechselnden Kohlequalitäten, aufgrund unterschiedlicher Zerkleinerungsgrade, Feuchte oder Inertanteilen etc. schwierig zu beherrschen waren und unnötig lange Garungszeiten zum erreichen hoher Koksqualitäten vorgesehen werden mussten.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, die beschriebenen Mängel auf wirtschaftliche Weise zu beheben und eine optimierte Zuführung von Primär- und/oder Sekundärluft sicher zu stellen, um die Ofenleistung zu verbessern und damit die Garungszeiten zu verkürzen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Verkokungsofen in Flachbauweise, einen so genannte Non-Recovery- oder Heat-Recovery-Koksofen, der eine Koksofenkammer und eine aus Kanälen bestehende Koksofensohle umfasst, wobei die Koksofenkammer und die Koksofensohle über Gaskanäle verbunden sind, und in der Ofenwand oder Ofentür Öffnungen für die Zuführung von Primärluft und eine oder mehrere Öffnungen oder Kanäle für die Zuführung von Sekundärluft in die Koksofensohle vorgesehen sind, und vor den Öffnungen oder in den Leitungen zu den Öffnungen Absperrvorrichtungen angeordnet sind.

Dabei ist mit dem Verkokungsofen

  • • mindestens eine Messvorrichtung zur Konzentrationsmessung von Gasbestandteilen der Koksofenkammer, der Koksofensohle und/oder der Gaskanäle angeordnet verbunden, und
  • • diese Messvorrichtung ist ihrerseits mit einer Rechnereinheit derart verbunden ist, dass diese Rechnereinheit Daten und Messergebnisse der Messvorrichtung empfangen kann, und
  • • die Rechnereinheit über Steuerleitungen mit einer oder mehreren Stellvorrichtungen der Absperrvorrichtungen verbunden ist, wobei die Absperrvorrichtungen Ventile, Klappen, Schieber oder dergleichen darstellt können.

Eine verbesserte Variante besteht darin, dass weiterhin in der Koksofensohle oder in dem Abgaskanal des Verkokungsofens eine Temperaturmessvorrichtung angeordnet ist, die ebenfalls mit der Rechnereinheit derart verbunden ist, dass diese Daten und Messergebnisse der Temperaturmessvorrichtung empfangen kann.

Die Messvorrichtungen sind idealerweise Analysegeräte zur Messung von Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid, die über eine Leitung mit der Koksofenkammer verbunden sind. Die Konzentration dieser Hauptkomponenten oder einer dieser Hauptkomponenten korrelieren mit der Garungszustand des Kokskuchens sehr gut.

Vor allem Wasserstoff, welches als letzter Kohlebestandteil verbrennt, ist eine idealer Indikator um das Ende der Garungszeit anzuzeigen. Mit dem erfindungsgemäßen Verkokungsofen ist es somit möglich, das Verkokungsverfahren so zu steuern, dass das Ende der Garungszeit quasi zeitgleich mit dem Erreichen der 0 Vol.-an H2 erreicht wird. Ist nämlich das H2 frühzeitig verbrannt, führt dies zu einer erhöhten Verbrennung und/oder Veraschung der Wertstoffanteile des Kokses, was wirtschaftlich nachteilig ist.

In einer weiteren Variante der Erfindung, ist die Messvorrichtung eine Lambdasonde, die zur Bestimmung von Sauerstoff in der Koksofensohle oder in dem Abgaskanal angeordnet ist. Mittels der Lambdasonde und der Rückkopplung mit der Regelung der Sekundärluft kann sichergestellt werden, dass in der Koksofensohle immer eine vollständige Verbrennung erfolgt, ohne dass die Temperatur zu sehr absinkt, was zu einer Verlängerung der Garungszeit führen würde.

Bei einer weiter fortentwickelten Variante der Erfindung, sind mindestens ein Analysegerät zur Bestimmung von Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid und eine Lambdasonde zur Bestimmung von Sauerstoff vorgesehen.

Weiterhin ist von der Erfindung eine Verfahren zur Verkokung von Kohle umfasst, bei welchem der vorgenannte Verkokungsofen in einer der offenbarten Ausführungsformen zum Einsatz kommt, wobei

  • • der Ofen mit Kohle gefüllt und der Verkokungsvorgang gestartet wird,
  • • während der Verkokung die Konzentration einer oder mehrere Gasbestandteile analysiert werden,
  • • diese Daten an eine Rechnereinheit übermittelt werden,
  • • diese Rechnereinheit auf Basis gespeicherter diskreter Werte oder Modelrechnungen die Zufuhr der Primär- und/oder der Sekundärluft ermittelt, und
  • • über Steuerleitungen die Steuerelemente der Absperrvorrichtungen für Primär- und/oder Sekundärluft ansteuert und somit
  • • die Primär- und/oder Sekundärluft regelt.

In einer verbesserten Variante des Verfahrens werden während der Verkokung

  • • die Temperatur in der Koksofensohle und/oder dem Abgaskanal ermittelt, und
  • • diese Daten an eine Rechnereinheit übermittelt,
  • • wobei anschließend diese Rechnereinheit auf Basis gespeicherter diskreter Werte oder Modelrechnungen die Zufuhr der Primär- und/oder der Sekundärluft ermittelt, und
  • • über Steuerleitungen die Steuerelemente der Absperrvorrichtungen für Primär- und/oder Sekundärluft steuert und somit
  • • die Primär- und/oder Sekundärluft regelt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird dabei derart geführt, dass die mittlere Temperatur in der Koksofensohle im Laufe der Verkokung um 350°C bis 400°C fällt und 1000°C nicht unterschreitet. Weiterhin besteht eine Optimierung darin, die Sauerstoffkonzentration im Abgaskanal konstant im Bereich von 7,5 bis 8,5 Volumenprozent zu regeln.

Die Erfindung ist anhand der Ausführungsvariante in 1 beispielhaft beschrieben, wobei die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist. 1 zeigt einen Koksofen, der eine Koksofenkammer 1 und eine Koksofensohle 2 aufweist, wobei die einzelnen Kammern oder Kanäle der Koksofensohle 2 nicht dargestellt sind. Über den Gaskanal 3 ist die Koksofenkammer 1 mit der Koksofensohle 2 verbunden. In die Koksofenkammer 1 kann über die Leitung 4 Primärluft zugeführt werden, wobei in der Leitung 4 die Regelklappe 7 angeordnet ist. In die Koksofensohle 2 kann über die Leitung 5 Sekundärluft zugeführt werden, wobei in der Leitung 5 die Regelklappe 8 angeordnet ist. Die Leitung 9 dient zur Entnahme eines geringen Gasvolumenstroms aus der Koksofenkammer 1 und verbindet die Koksofenkammer 1 mit einem Analysegerät 10, welches in dem dargestellten Beispiel zur Messung von H2 geeignet ist. Das zu messende und in der Leitung 9 geförderte Gas wird mittels des Verdichters 11 angesaugt und zum Analysegerät 10 fördert. Vor dem Verdichter 11 ist zur Kühlung des Gases ein Wärmetauschers 12 angeordnet. Über die Leitung 21 wird der Gasvolumenstrom wieder in die Koksofenkammer 1 geleitet.

Weitehin ist das in der Koksofensohle 2 angeordnete Temperaturmessgerät 13 und die in der Abgasleitung 6 angeordnete Lambdasonde 14 schematisch dargestllt. Über die Datenleitungen 17 und 18 werden die Messwerte der Rechnereinheit 16 zugeleitet, die auch die Messwerte des Analysegerätes 10 über die Datenleitung 15 erhält. Die Rechnereinheit 16 steuert über die Steuerleitungen 19 die Regelklappe 7 und regelt somit den Volumenstrom der Primärluft beziehungsweise die Temperatur in der Koksofenkammer 1. Weiterhin steuert der Rechnereinheit 16 über die Steuerleitung 20 die Regelklappe 8, wodurch der Volumenstrom der Sekundärluft und dadurch die Temperatur in der Koksofensohle 2 und Sauerstoffgehalt in der Abgasleitung 6 geregelt wird.

Durch das beschriebenen Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung konnte die Garungszeit deutlich gesenkt werden. Es ist nunmehr möglich, zuverlässig eine Garungszeit von unter 48 Stunden zu erreichen, was eine erheblich Steigerung der Ofenleistung gegenüber dem Stand der Technik darstellt.

1
Koksofenkammer
2
Koksofensohle
3
Gaskanal
4
Leitung (Primärluft)
5
Leitung (Sekundärluft)
6
Abgasleitung
7
Absperrelement (Primärluft)
8
Absperrelement (Sekundärluft)
9
Leitung
10
Analysegerät
11
Kompressor
12
Wärmtetauscher
13
Temperaturmessgerät
14
Lambdasonde
15
Datenleitung
16
Rechnereinheit
17
Datenleitung
18
Datenleitung
19
Datenleitung
20
Datenleitung


Anspruch[de]
Verkokungsofen in Flachbauweise (Non/Heat Recovery Verkokungsofen), umfassend eine Koksofenkammer und eine aus Kanälen bestehende Koksofensohle, wobei die Koksofenkammer und die Koksofensohle über Gaskanäle verbunden sind, und in der Ofenwand oder Ofentür Öffnungen für die Zuführung von Primärluft und eine oder mehrere Öffnungen oder Kanäle für die Zuführung von Sekundärluft in die Koksofensohle vorgesehen sind, und vor den Öffnungen oder in den Leitungen zu den Öffnungen Absperrvorrichtungen angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Verkokungsofen

– mit mindestens einer Messvorrichtung zur Konzentrationsmessung von Gasbestandteilen der Koksofenkammer, der Koksofensohle und/oder des Abgaskanals verbunden ist und

– diese Messvorrichtung ihrerseits mit einer Rechnereinheit derart verbunden ist, dass diese Rechnereinheit Daten und Messergebnisse der Messvorrichtung empfangen kann, und

– die Rechnereinheit über Steuerleitungen mit einer oder mehreren Stellvorrichtungen der Absperrvorrichtungen verbunden ist, wobei die Absperrvorrichtungen Ventile, Klappen, Schieber oder dergleichen darstellt können.
Verkokungsofen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Koksofensohle oder in dem Abgaskanal eine Temperaturmessvorrichtung angeordnet ist, die ebenfalls mit der Rechnereinheit derart verbunden ist, dass diese Daten und Messergebnisse der Temperaturmessvorrichtung empfangen kann. Verkokungsofen gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung ein Analysegerät zur Bestimmung von Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid ist. Verkokungsofen gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Analysegerät über eine Leitung mit der Koksofenkammer verbunden ist. Verkokungsofen gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung eine Lambdasonde zur Bestimmung von Sauerstoff ist und in der Koksofensohle oder in dem Abgaskanal angeordnet ist. Verkokungsofen gemäß einem der Ansprüche 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Analysegerät zur Bestimmung von Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid und eine Lambdasonde zur Bestimmung von Sauerstoff vorgesehen ist. Verfahren zur Verkokung von Kohle,

dadurch gekennzeichnet, dass

ein Verkokungsofen nach einem der vorstehenden Ansprüche eingesetzt wird, wobei

– der Ofen mit Kohle gefüllt und der Verkokungsvorgang gestartet wird,

– während der Verkokung die Konzentration einer oder mehrere Gasbestandteile analysiert werden,

– diese Daten an eine Rechnereinheit übermittelt werden,

– diese Rechnereinheit auf Basis gespeicherter diskreter Werte oder Modelrechnungen die Zufuhr der Primär- und/oder der Sekundärluft ermittelt, und

– über Steuerleitungen die Steuerelemente der Absperrvorrichtungen für Primär- und/oder Sekundärluft ansteuert und somit

– die Primär- und/oder Sekundärluft regelt.
Verfahren zur Verkokung von Kohle gemäß Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, dass

während der Verkokung

– die Temperatur in der Koksofensohle und/oder dem Abgaskanal ermittelt wird und

– diese Daten an eine Rechnereinheit übermittelt werden,

– diese Rechnereinheit auf Basis gespeicherter diskreter Werte oder Modelrechnungen die Zufuhr der Primär- und/oder der Sekundärluft ermittelt, und

– über Steuerleitungen die Steuerelemente der Absperrvorrichtungen für Primär- und/oder Sekundärluft ansteuert und somit

– die Primär- und/oder Sekundärluft regelt.
Verfahren zur Verkokung von Kohle gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Temperatur in der Koksofensohle im Laufe der Verkokung um 350°C bis 400°C fällt und 1000°C nicht unterschreitet. Verfahren zur Verkokung von Kohle gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffkonzentration im Abgaskanal konstant im Bereich von 7,5 bis 8,5 Volumenprozent liegt.






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