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Dokumentenidentifikation DE102006005189A1 09.08.2007
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Verkokung von Kohle mit hohem Flüchtigengehalt
Anmelder Uhde GmbH, 44141 Dortmund, DE
Erfinder Kim, Ronald, 45144 Essen, DE;
Schücker, Franz-Josef, 44577 Castrop-Rauxel, DE
DE-Anmeldedatum 02.02.2006
DE-Aktenzeichen 102006005189
Offenlegungstag 09.08.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.08.2007
IPC-Hauptklasse C10B 15/00(2006.01)A, F, I, 20060202, B, H, DE
Zusammenfassung Verfahren zur Verkokung von Kohle, insbesondere solche mit hohem oder wechselndem Flüchtigengehalt in Verkokungsanlagen mit Verkokungskammern nach dem Non-Recovery-Verfahren oder dem Heat-Recovery-Verfahren, ferner eine Vorrichtung, mit der dieses Verfahren auf sehr einfache Weise betrieben werden kann, indem die Überhitzung des Koksofens durch die Einspeisung von Wasserdampf verhindert wird. Das vorgestellt Verfahren ist dabei unabhängig von der Anzahl der zum Einsatz kommenden Verkokungsöfen, sofern sie eine Batterie bilden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verkokung von Kohle, insbesondere solche mit hohem oder wechselndem Flüchtigengehalt in Verkokungsanlagen mit Verkokungskammern nach dem Non-Recovery-Verfahren oder dem Heat-Recovery-Verfahren, ferner eine Vorrichtung, mit der dieses Verfahren auf sehr einfache Weise betrieben werden kann, indem die Überhitzung des Koksofens durch die Einspeisung von Wasserdampf verhindert wird. Das vorgestellte Verfahren ist dabei unabhängig von der Anzahl der zum Einsatz kommenden Verkokungsöfen, sofern sie eine Batterie bilden.

Zur Verkokung wird die vorgewärmte Verkokungskammer des Verkokungsofens mit einer Schicht Kohle befüllt und danach verschlossen. Die Kohleschicht kann als Schüttung oder in kompaktierter, gestampfter Form vorliegen. Durch die Erwärmung der Kohle findet eine Ausgasung der flüchtigen Bestandteile der Kohle statt, vor allem sind dies Kohlenwasserstoffe. Die weitere Wärmeerzeugung in der Verkokungskammer von Non-Recovery-Verkokungsöfen und von Heat-Recovery-Verkokungsöfen erfolgt ausschließlich durch die Verbrennung der freiwerdenden flüchtigen Kohlebestandteile, die aufgrund der fortschreitenden Erwärmung sukzessive ausgasen.

Nach dem herkömmlichen Stand der Technik wird die Verbrennung so gesteuert, das ein Teil des freiwerdenden Gases, welches auch als Rohgas bezeichnet wird, in der Verkokungskammer direkt oberhalb der Kohlecharge verbrennt. Die hierfür nötige Verbrennungsluft wird über Öffnungen in den Türen und der Decke eingesaugt. Diese Verbrennungsstufe wird auch als 1. Luftstufe oder Primärluftstufe bezeichnet. Die Primärluftstufe führt üblicherweise nicht zu einer vollständigen Verbrennung. Die bei der Verbrennung freigesetzte Wärme erhitzt die Kohleschicht, wobei sich auf ihrer Oberfläche nach kurzer Zeit eine Ascheschicht bildet. Diese Ascheschicht sorgt für einen Luftabschluss und verhindert im weiteren Verlauf des Verkokungsprozesses den Abbrand der Kohleschicht. Ein Teil der bei der Verbrennung freigesetzten Wärme wird infolge Wärmestrahlung von oben, durch die sich bildende Ascheschicht hindurch in die Kohleschüttung übertragen. Ein weiterer Teil der erzeugten Wärme wird vornehmlich durch Wärmeleitung über die ausgemauerten Koksofenwände in die Kohleschicht übertragen. Eine reine Heizung der Kohleschicht von oben unter Anwendung nur einer einzigen Luftstufe würde aber zu unwirtschaftlich hohen Garungszeiten führen.

Daher wird das in der Primärluftstufe teilverbrannte Rohgas in einer weiteren Stufe verbrannt und die Wärme wird der Kohleschicht von unten oder seitwärts zugeführt. Hierzu sind im herkömmlichen Stand der Technik vor allem 2 Technologien bekannt: In der US 4,124,450 wird in Verbindung mit den Schriften US 4,045,299 und US 3,912,597 desselben Erfinders beschrieben, wie das heiße Gemisch aus Verbrennungsabgas und teilverbranntem Rohgas in Kanäle unterhalb der Verkokungskammer geleitet wird, wo es einen Teil seiner Wärme an die unter der Kohleschicht befindliche Ausmauerung abgeben kann, welche über Wärmeleitung die Wärmeenergie an die Kohle überträgt. Im weiteren Strömungsverlauf wird eine Nachverbrennung in einer zwischen den Seitenwänden der Verkokungskammer angeordneten rekuperativ betriebenen Verbrennungskammer durchgeführt. Die dort erzeugte Wärme wird seitwärts infolge Wärmeleitung über die Koksofenwände an die Kohleschicht übertragen, wodurch die Garzeiten deutlich verkürzt werden. Eine solche Verbrennungsstufe wird auch als 2. Luftstufe oder Sekundärluftstufe bezeichnet.

Die andere herkömmliche Technologie führt das in der Primärluftstufe teilverbrannte Gas über Kanäle in den Koksofenwänden, die auch als "Downcomer" bezeichnet werden, den Heizzügen in der Sohle unterhalb der Verkokungskammer zu, wo weiterhin genügend Verbrennungsluft angesaugt wird, um eine vollständige Verbrennung zu erreichen. Dies führt ebenfalls dazu, dass der Kohlecharge Wärme sowohl direkt durch Wärmestrahlung von oben und indirekt durch Wärmeleitung von unten zugeführt wird und die Verkokungsgeschwindigkeit und damit die Durchsatzleistung der Öfen deutlich erhöht werden.

Die durch die zweistufige Verbrennung im Koksofen entstandenen Rauchgase werden im herkömmlichen Stand der Technik anschließend über außerhalb des Koksofens befindliche Rauchgaskanäle in Richtung Schornstein geleitet und können dort im Fall des Non-Recovery-Verfahrens in die Atmosphäre evakuiert oder im Fall des Heat-Recovery-Verfahrens beispielsweise einer Teilanlage zur Dampferzeugung zugeführt werden.

Als problematisch hat es sich erwiesen, dass die Freisetzung der flüchtigen Kohlebestandteile nicht gleichmäßig über die Garungszeit verläuft. Zu Beginn der Verkokung ist ein Absinken der Koksofenraumtemperatur zu verzeichnen. Dies wird durch den Füllvorgang verursacht, da die Kohle mit Umgebungstemperatur in die warme Koksofenkammer gefüllt wird. Im Anschluss erfolgt eine Phase stürmischer Freisetzung von heizwertreichem Gas. Das plötzliche Wärmeangebot im Verkokungsofen kann von der Kohle und den Koksofenbaustoffen nur mit einer begrenzten Geschwindigkeit aufgenommen werden. Die Temperatur in der Koksofenkammer steigt deshalb im Verlauf des Verkokungsvorgang an und kann im Falle eines hohen Anteils an flüchtigen Bestandteilen der Einsatzkohlemischung zu einer Überschreitung der Anwendungsgrenztemperaturen der verwendeten Baustoffe des Verkokungsofens oder der in Strömungsrichtung nachfolgenden Rauchgaskanäle und Teilanlagen führen. Im weiteren Verlauf der Garzeit wird die Freisetzung der flüchtigen Kohlebestandteile dann zunehmend wieder schwächer.

Im Stand der Technik wird im Verfahren nur über die Regelung des Volumenstroms an Primär- und Sekundärluft die Temperatur im Koksofen geregelt. Dies hat den Nachteil, dass damit auf die Reaktion der Verkokung selbst eingewirkt wird, da der im Primär- oder Sekundärluft enthaltene Sauerstoff als Reaktionspartner fungiert und dessen über- oder unterstöchiometrisches Präsens zu unterschiedlichen Verbrennungsstufen führt.

Um derartige Probleme zu umgehen und eine möglichst gleichmäßige Wärmeerzeugung und Koksqualität zu gewährleisten, wird im Verkokungsofen eine Kohlemischung eingesetzt, die sich aus mehreren Einzelkohlekomponenten zusammen setzt. Die Kohlemischung wird herkömmlich so eingestellt, dass der Gehalt an flüchtigen Bestandteilen durch einen bestimmten Maximalwert begrenzt wird. Da ein hoher Anteil der weltweit verfügbaren Kohlen diesem Kriterium nicht genügt, ist durch diese Vorgehensweise die Auswahl der für dieses Verkokungsverfahren einsetzbaren Kohlen eingeschränkt, was zu wirtschaftlichen Nachteilen führt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches keine Einschränkungen mehr an die Kohle hinsichtlich des Gehalts an flüchtigen Bestandteilen stellt, zu einer Verringerung der Stickoxidbelastung im Rauchgas führt, das Material der Verkokungsöfen schont und gleichzeitig die Koksqualität verbessert, ohne dabei die spezifische Koksdurchsatzleistung zu verringern.

Die Erfindung löst die Aufgabe gemäß dem Hauptanspruch, indem ein Verfahren zur Herstellung von Koks in einer Verkokungskammer eines Koksofens vom "Non-Recovery-Typ" oder "Heat-Recovery-Typ" zum Einsatz kommt, wobei

  • • die Verkokungskammer mit einer Schicht Kohle gefüllt und die Kohle anschließend erwärmt wird und so flüchtige Kohlebestandteile aus der Kohle ausgasen,
  • • diese flüchtigen Kohlebestandteile mittels zugeführter Luft (Primärluft) partiell oxidiert werden,
  • • dieses Gasgemisch über Rauchgaskanäle in die Koksofensohle gelangt, wobei
  • • die Kanäle in oder an den Seitenwänden der Verkokungskammer angeordnet sind, und
  • • in der Koksofensohle unverbrannte, flüchtige Kohlebestandteile verbrannt werden, wobei
  • • sowohl die Verkokungskammer als auch die Koksofensohle Einrichtungen zur begrenzten Zuführung von Luft aufweisen, wobei die Temperatur gemessen wird, und bedarfsweise zur Kühlung Wasserdampf in den Koksofen eingeleitet wird.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die Temperatur in der Verkokungskammer zu messen, und bedarfsweise zur Kühlung Wasserdampf in den Gasraum der Verkokungskammer, also oberhalb des Kokskuchens, einzuleiten. Bei einer ebenfalls vorteilhaften Variante wird bedarfsweise zur Kühlung der Koksofensohle Wasserdampf in die Rauchgaskanäle eingeleitet. Diese Verfahren kann dahingehend optimiert werden, dass die beiden vorstehend genannten Varianten gemeinsam zur Anwendung kommen.

Dabei wird vorteilhafterweise das erfindungsgemäße Verfahren derart geführt, dass durch die Regulierung der Wasserdampfzugabe die maximale Temperatur, welcher die Koksofenbaumaterialien ausgesetzt werden, 1400°C nicht überschreitet. Der Wasserdampf hat dabei in dem erfindungsgemäßen Verfahren einen erhöhten Druck, unter welchem er in die Verkokungskammer und/oder die Rauchgasleitung eingeleitet wird. Weiterhin kann das Verfahren verbessert werden, indem relativ kalter Wasserdampf eingesetzt wird, dessen Temperatur im Bereich von 150°C bis 300°C liegt.

Auf der einen Seite sind niedrige Dampftemperaturen wichtig, um eine größtmögliche Energieaufnahme und Energieaustrag aus dem Koksofen zu ermöglichen, auf der anderen Seite hat sich gezeigt, dass der Wasserdampf nicht mit einem zu hohen Impuls in die Verkokungskammer geleitet werden darf, da sonst die Ascheschicht, die sich oberhalb des Kokskuchens oder der Koksschüttung bildet, abgetragen wird. Die Ascheschicht erfüllt eine wichtige Schutzfunktion für den Wertstoff, indem sie den Abbrand der Kohle bzw. des Kokses im Koksofen verhindert.

Eine Verbesserung besteht darin, dass der Wasserdampf gemeinsam mit der Primär- beziehungsweise der Sekundärluft eingeleitet wird, wodurch die Anzahl der Öffnungen im Koksofenbauwerk verringert werden kann.

Von der Erfindung umfasst ist auch ein Verkokungsofen zur Durchführung des Verfahrens in einer der offenbarten Ausführungsformen, wobei in diesem Koksofen in der Koksofenwand oder den Rauchgaskanälen Öffnungen vorgesehen sind, über welche der Wasserdampf eingeleitet werden kann.

Eine Verbesserung des Verkokungsofens besteht darin, dass eine zentrale Dampfleitung zu den Öffnungen führt und mehrere Koksöfen miteinander verbunden sind. In einer verbesserten Variante dieses Verkokungsofens sind vor den Öffnungen oder in den Leitungen, die zu den Öffnungen führen, Dosiereinrichtungen zur Veränderung der erforderlichen Wasserdampfmenge vorgesehen, die wiederum über Steuerleitungen mit einem Prozessrechner verbunden sind.

Es ist hierbei nicht erforderlich, diesen Wasserdampf über die gesamte Garzeit einer Kohlecharge einzuleiten. So wird es vorrangig zu Beginn und während der Aufheizphase nötig sein, Wasserdampf einzuleiten. Mit Erreichen einer kritischen Koksofenraumtemperatur wird das oben beschriebene Verfahren erfolgreich zur Moderierung eingesetzt. Dadurch, dass durch die Einleitung von Wasserdampf die Koksofentemperatur sehr genau auf einem unschädlichen aber hohen Niveau gehalten werden kann, und sich der Wasserdampf ansonsten inert im Koksofen oder den nachfolgenden Prozessstufen verhält, wird der Verkokungsvorgang insgesamt beschleunigt.

Vorteilhaft ist hierbei auch, dass gerade Kohlen, die aufgrund eines besonders hohen Anteils an flüchtigen Bestandteilen als minderwertig betrachtet werden, hier mit Gewinn als Verkokungsbeschleuniger eingesetzt werden können und vorherige Prozessschritte zum Mischen unterschiedlicher Kohlechargen entfallen können.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgesehen, dass die Einleitung des Wasserdampfes jederzeit so erfolgt, dass die Koksofenbaumaterialien nie einer Temperatur über 1400 °C ausgesetzt werden. Praktisch kann dies z.B. so erreicht werden, dass an solchen Stellen der Ausmauerung, an denen sich erfahrungsgemäß viel Wärme staut, Temperaturmessstellen eingesetzt werden, und ebenfalls in diesen Bereichen die Öffnungen für die Einleitung von Wasserdampf vorgesehen werden.

In einem modellierten Versuchsverfahren wurde ein Heat-Recovery-Kokssofen mit 5 Öffnungen versehen, über die Wasserdampf in die Verkokungskammer geleitet werden konnte. Weiterhin wurden allen Rauchgaskanälen, die die Verkokungskammer mit der Koksofensohle verbinden, ebenfalls mit Öffnungen vorgesehen, über die Wasserdampf in die Koksofensohle geleitet werden konnte. Zu allen Öffnungen führten Dampfleitungen, die mit einer zentralen Hauptdampfleitung verbunden und in denen jeweils eine Dosiervorrichtung und ein Steuerelement vorgesehen waren. Im Dach der Verkokungskammer und an der Hauptrohgasleitung, die das Rohgas aus der Koksofensohle zum Kamin hin leitet, waren Temperaturmessgeräte lokalisiert. Die Temperaturmesswerte wurden an einen Prozessrechner weitergeleitet, der wiederum die Dosiereinrichtungen ansteuerten.

In diesem Versuchverfahren wurden Kohlechargen mit unterschiedlich hohen Anteilen an leichtflüchtigen Komponenten eingesetzt, die in einem herkömmlichen Koksofen zur Überhitzung und Schädigung des Feuerfestmaterials führen würden. Das Verfahren und der Verkokungsofen war zu jeder Zeit so zu steuern, dass keine Schädigung am Koksofenmaterial oder ein Verlust am Wertstoff hingenommen werden musste.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung von Koks in einer Verkokungskammer eines Koksofens vom "Non-Recovery-Typ" oder "Heat-Recovery-Typ", wobei

• die Verkokungskammer mit einer Schicht Kohle gefüllt wird,

• die Kohle erwärmt wird und flüchtige Kohlebestandteile aus der Kohle ausgasen,

• diese flüchtigen Kohlebestandteile mittels zugeführter Luft (Primärluft) partiell oxidiert werden,

• diese flüchtigen Kohlebestandteile und Gase über Rauchgaskanäle in die Koksofensohle gelangen, wobei

• die Kanäle in oder an den Seitenwänden der Verkokungskammer angeordnet sind, und

• in der Koksofensohle unverbrannte, flüchtige Kohlebestandteile verbrannt werden, wobei

• sowohl die Verkokungskammer als auch die Koksofensohle Einrichtungen zur begrenzten Zuführung von Luft aufweisen,

dadurch gekennzeichnet, dass

• die Temperatur gemessen wird, und

• bedarfsweise zur Kühlung Wasserdampf eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

• die Temperatur in der Verkokungskammer gemessen, und

• bedarfsweise zur Kühlung Wasserdampf in den Gasraum der Verkokungskammer eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

• bedarfsweise zur Kühlung der Koksofensohle Wasserdampf in die Rauchgaskanäle eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regulierung der Wasserdampfzugabe jederzeit so erfolgt, dass die maximale Temperatur, welcher die Koksofenbaumaterialien ausgesetzt werden, 1400 °C nicht überschreitet. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampf unter erhöhtem Druck eingeleitet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampf eine Temperatur von 150°C bis 300°C aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampf als Wasserdampf-Luft-Gemische zugeführt wird. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Koksofenwand oder den Rauchgaskanälen Öffnungen vorgesehen sind, über welche der Wasserdampf oder das Wasserdampf-Luft-Gemisch eingeleitet werden kann. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Dampfleitung zu den Koksöfen führt, wobei Abzweigungen der zentralen Dampfleitung zu den Öffnungen führen. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an den Öffnungen eine Dosiereinrichtung und ein Steuerorgan zur Veränderung der erforderlichen Verbrennungsluftmenge über der Garungszeit vorgesehen wird.






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