Optimierung der Hochofenprozesse mit Nusskoks: Effizienz- und Kostenvorteile

Metallurgischer Koks, auch als Hochofenkoks (BF-Koks) bezeichnet, spielt eine entscheidende Rolle für den stabilen Betrieb des Hochofens. Typischer BF-Koks hat eine Korngröße von 30 bis 60 mm (manche Öfen verwenden 40 bis 80 mm) und stellt einen erheblichen Kostenfaktor bei der Roheisenproduktion dar. Die hohen Kosten resultieren aus den großen Mengen an Feinfraktionen, die bei der Koksherstellung in den Koksöfen anfallen: Koksbreeze (-10 mm) und Nusskoks (10 bis 30 mm). Während Koksbreeze vollständig im Sinterwerk verbraucht wird, fand Nusskoks in integrierten Hüttenwerken lange kaum Verwendung und wurde an Dritte verkauft.

Historische Entwicklung

Bereits in den 1960er Jahren schlug Prof. V. I. Loginov vor, Nusskoks dem Hochofen zusammen mit dem Sinter zuzuführen. Obwohl diese Idee erfolgreich getestet wurde, gab es anfänglich Widerstand gegen die Verwendung. Heute gilt der Einsatz von Nusskoks als teilweiser Ersatz für BF-Koks als bewährte Technologie und ist fast zum Standard geworden. Monatliche Durchschnittsverbräuche von über 100 kg Nusskoks pro Tonne Roheisen (kg/tHM) wurden in einigen Hochöfen erfolgreich erreicht. Statistische Analysen europäischer Hochöfen zeigen einen Ersatzkoeffizienten nahe 1,0.

Funktionsweise und Vorteile

Im konventionellen Hochofenbetrieb werden Eisenerzbelastung (Stückerz, Sinter, Pellets) und BF-Koks im Schichtbetrieb beschickt. Nusskoks wird normalerweise gemischt mit der Eisenerzbelastung zugegeben. Dies bewirkt:

• Effektive Nutzung des geringwertigen Nebenprodukts aus der Kokerei
• Reduktion des BF-Koksverbrauchs
• Steigerung der Hochofenproduktivität
• Optimierung des Gasdynamikregimes
• Verbesserung der techno-ökonomischen Kenngrößen durch niedrigere Roheisenkosten
• Reduktion der CO₂-Emissionen durch geringere Koksproduktion

Wirkmechanismen

Drei Hauptfaktoren erklären die Koksersparnis:

1. Verbesserung der Gasdurchlässigkeit in der "trockenen Zone" des Hochofens
2. Verbesserung der Reduktionsbedingungen der Eisenerzbelastung
3. "Schutz" des metallurgischen Koks vor der Lösungsverlustreaktion im Hochofenschacht durch die höhere Reaktivität des Nusskoks

Kleinere Mengen Nusskoks in der Eisenerzbelastung führen zu besseren Reduktionskinetiken, geringerem Reduktionsmittelverbrauch und verbesserter Gas- und Flüssigkeitspermeabilität. Die Nutzung variiert von Hochofen zu Hochofen. Die Interaktion von Nusskoks mit der Belastung bei niedrigen und hohen Temperaturen ist entscheidend. Wird die optimale Menge überschritten, gelangt unverbrauchter Nusskoks in den unteren Ofenbereich, akkumuliert im "Deadman"-Bereich und stört die Roheisenqualität sowie die Produktivität – besonders bei hoher Kohleinspritzung. Idealerweise wird Nusskoks vor der kohäsiven Zone vollständig verbraucht.

Untersuchungen zur Gasdurchlässigkeit

Eine Studie zum Einfluss von Sinter- und Koksschichtdicke sowie Sinter-Nusskoks-Gemisch auf die Gasdurchlässigkeit bei 1.100 bis 1.600 °C zeigte: Mit abnehmender Schichtdicke sinkt der Druckverlust. Beim Mischen von 90 g Nusskoks in 1.400 g Sinter sank der Druckverlust bei 1.400 °C von 380 mm WS auf ca. 50 mm WS. Dies bestätigt die Verbesserung der Gasdurchlässigkeit in der kohäsiven Zone.

Eine weitere Simulation (Diskrete-Elemente-Methode) zur Nusskoks-Segregation und radialen Verteilung im Beschickungssystem ergab, dass der Umfangsmassenausgleich im Beschickungstrichter entscheidend für die Verteilung ist. Ein Stabilisator an der Beschickungsrutsche vermeidet effektiv Segregation.

Einfluss auf Reduktionsprozesse

Mehrere Hochofenstudien zeigen: Direkte Reduktion wird in der kohäsiven Zone gefördert und im Herd gehemmt, was die Herdaufheizung verbessert. Der Nusskoks-Effekt auf den Koksverbrauch hängt von den Eigenschaften beider Kokssorten ab. Aufgrund seiner Korngröße wird Nusskoks in der Erzbelastungsschicht hauptsächlich zur CO-Regeneration verbraucht, während BF-Koks vor Degradation geschützt wird und die Bettdurchlässigkeit verbessert. Der bevorzugte Verbrauch von Nusskoks durch die Lösungsverlustreaktion ist größenabhängig.

Optimale Einsatzmenge und Risiken

Ein höherer BF-Koksersatz durch Nusskoks ist wünschenswert, doch bei sehr hohem Einsatz besteht die Gefahr, dass unverbrauchter Nusskoks in den unteren Ofenbereich gelangt und den Deadman sowie den Herd verstopft. Mathematische Modellierung und Experimente zeigen: Bei niedrigem Nusskokseinsatz wird dieser vollständig durch die Vergasungsreaktion verbraucht und verbessert die Durchlässigkeit. Bei sehr hohem Einsatz bleibt er unverbrannt, erhöht den Druckverlust im Koksbett und beeinträchtigt die Herdentwässerung, was zu schlechterer Schmelzleistung und geringerer Produktivität führt.

Simulationen der Deadman-Zone zeigen, dass die Porosität wichtiger ist als der Koksdurchmesser. Geringe Porosität behindert das Eindringen heißer Gase in den unteren Ofenbereich und schafft Niedrigtemperaturzonen. Feinstaubgeneration und -akkumulation sind für einen durchlässigen Deadman unerwünscht. Koksfeinanteile im unteren Ofenbereich erhöhen den Druckverlust stärker, als die Nusskoks-Zugabe in der kohäsiven Zone ihn verringert – der Gesamtdruckverlust steigt.

Diese Erkenntnisse belegen eine optimale Nusskoksmenge, oberhalb derer der Nutzen marginal wird und Betriebsstörungen auftreten können.

Detaillierte Auswirkungen der Nusskoks-Beimischung

Verbesserung der Permeabilität

Permeabilität wird durch Gebläsevolumen und Druckverlust der Schachtsäule gesteuert. Bei konstantem Gebläsevolumen verbessert sich die Permeabilität durch Druckverlustreduzierung. Die Bettpermeabilität ist einer der wichtigsten Betriebsfaktoren. Höhere Gebläseaufnahme erfordert ausreichende Gaspermeabilität. Die Gasströmung beeinflusst die Produktivität direkt.

Der Zusatz von Nusskoks zur Eisenerzbelastung verbessert die Permeabilität in der trockenen Zone. Der positive Effekt ist bei geringem Mischungsverhältnis weniger ausgeprägt. Bei 10 % und 20 % Nusskoks in der Eisenerzbelastung steigt die Produktivität um 1,5 % bzw. 2,5 %.

Eine Hochofenstudie über zwei Perioden (konventionelle Beschickung vs. Nusskoks-Beimischung bei gleicher Erzmengen) zeigte: Der Drucksprung des Ofengases stieg und variierte mit der Nusskoksmenge. Der Ofenbetrieb wurde gleichmäßiger, die Ausgabe stieg, Hauptgrund war der reduzierte BF-Koksverbrauch. Die Heiz- und Reduktionskapazität des Gasstroms wird durch bessere Gasverteilung und gleichmäßigeren Betrieb voll ausgenutzt.

Eine weitere Studie mit großen Nusskoksmengen ergab: Die Zugabe verhinderte die Permeabilitätsverschlechterung im unteren Ofenbereich. Der normale BF-Koks bleibt im unteren Bereich groß (selektive Lösungsverlustreaktion des Nusskoks), die Permeabilität der kohäsiven Schicht bleibt gut.

Untersuchungen zu den Eigenschaften der Erzbelastungsschicht (Erz + Nusskoks) mit zwei Mischmethoden (Schichthöhenänderung vs. Mengenänderung) zeigten: Der Druckverlust sinkt mit abnehmender Schichthöhe (steigender Schichtzahl) und verschwindet bei mehr als 3 Schichten. Mit steigender Nusskoksmenge sinkt der Druckverlust rapide. Es wird angenommen, dass Verkohlung an der Grenzfläche Sinter-Koks stattfindet. Beim Metallschmelzen an der Grenze strömt Gas hauptsächlich durch den Koks und seine Umgebung – die Durchlässigkeit der Packungsschicht bleibt erhalten. Entgegen der Annahme, dass größere Porosität höhere Permeabilität bedeutet, zeigte eine Gasdynamikstudie: Bei Nusskoks-Beimischung sinkt die Porosität, aber die Permeabilität verbessert sich gegenüber konventioneller Beschickung. Beide Faktoren – Porosität und Porositätsstruktur – müssen berücksichtigt werden.

Die Nusskoks-Zugabe zur Erzschicht reduziert den Gaswiderstand der kohäsiven Zone, da der gemischte Koks neue Hohlräume in der Erzschicht schafft.

Reduktionskinetik

Die Eisenerzbelastung besteht hauptsächlich aus Fe₂O₃ und Fe₃O₄. Der Sauerstoffentzug heißt Reduktion. Der Hochofenprozess basiert auf dem Reduktionsverhalten. Reduktionsrate und -grad beeinflussen die Produktion direkt. Die thermische Reservezonentemperatur entspricht etwa dem Start der Boudouard-Reaktion (C + CO₂ = 2CO), die stark endotherm ist und das Gesamtgeschehen steuert. Kann die Starttemperatur der thermischen Reservezone gesenkt werden, verschiebt sich das Gleichgewicht der FeO-Fe-Reduktion (FeO + CO = Fe + CO₂) zu höherer CO-Ausnutzung. Dies verbessert die CO-Ausnutzung am Ofenkopf und senkt den Reduktionsmittelverbrauch.

Höhere Reduktionsraten von Eisenoxiden sind für höhere Produktivität wünschenswert. Experimentelle Analysen (900–1.200 °C) deuten darauf hin, dass die geschwindigkeitsbestimmende Reaktion die Kohlenstoffoxidation ist. Die Reduktion erfolgt in zwei Stufen: Fe₃O₄ → FeO (schneller) und FeO → Fe (langsamer). Im Endstadium der FeO-Reduktion durch Kohlenstoff sinkt die Rate weiter durch Fayalit-(FeO·SiO₂)-Schlackenbildung. "Reduktionsverzögerung" tritt besonders während und nach dem Erweichen der Eisenerzbelastung auf. Experimente bestätigen: Bei >1.100 °C leidet Erzbelastung ohne Nusskoks unter "Reduktionsverzögerung", mit Nusskoks nicht. Für höheren Reduktionsgrad muss die Nusskoksgröße der Eisenerzbelastung entsprechen oder kleiner sein.

Erweichungs- und Schmelzverhalten

Der Bereich, in dem Erz erweicht und schmilzt, heißt kohäsive Zone. Erweichung und Schmelzen sind physikalische Phänomene; chemische Veränderungen im kohäsiven Zonenverhalten hängen mit Lage und Form der Zone sowie Gasströmung zusammen und beeinflussen den Hochofenbetrieb stark.

Eine dünnere kohäsive Zone ist für geringeren Druckverlust und bessere Permeabilität erwünscht. Erreichbar durch Eisenerzbelastungen mit geringer Temperaturdifferenz zwischen Erweichung und Schmelzen. Die Zonendicke lässt sich auch durch Nusskoks-Beimischung beeinflussen. Hochtemperaturversuche zeigten: Erweichungs- und Schmelztemperatur steigen um 86 °C bzw. 15 °C. Die Temperaturdifferenz verringert sich um 71 °C. Dies deutet auf eine dünnere kohäsive Zone mit Nusskoks-gemischter Eisenerzbelastung hin.