Effiziente Energieeinsparung durch Trockenlöschung von Heißkoks

Die Trockenlöschung von Koks (Coke Dry Quenching, CDQ) ist ein energiesparendes Verfahren in der Kokserei. Eine CDQ-Anlage wird auch als Koks-Trockenkühlanlage (CDCP) bezeichnet. Beim konventionellen Nasslöschverfahren (Coke Wet Quenching, CWQ) wird der rotglühende Koks, der aus dem Koksofen gestoßen wird, durch Wassersprühen gekühlt. Das Kühlwasser verdampft und entweicht ungenutzt in die Atmosphäre. Der Nachteil: Die thermische Energie des Heißkoks geht als Dampf verloren. Zudem entstehen luftgetragener Koksstaub, hohe CO₂-Emissionen und thermische Energieverluste.

Beim CWQ-Prozess geht die sensible Wärme des Ofenkoks in die Atmosphäre verloren. Zusätzlich entstehen Luftemissionen (0,5 t Dampf pro t Koks, belastet mit Phenol, Cyanid, Sulfid und Staub) und es wird viel Wasser benötigt (ca. 0,6 m³ pro t Koks). Verunreinigungen im Wasser gelangen in die Umwelt. Tabelle 1 vergleicht typische Kokeigenschaften nach CWQ und CDQ.

Tabelle 1: Vergleich typischer Eigenschaften von Koks aus CWQ- und CDQ-Prozess
Nr.	Parameter	Einheit	CWQ-Prozess	CDQ-Prozess
1	Wassergehalt	%	2–5	0,1–0,3
2	Aschengehalt	%	11,35	11,39
3	Flüchtige Bestandteile	%	0,5	0,41
4	Durchschnittliche Korngröße	mm	65	55
5	Koksbreeze-Anteil (nach Siebung -15 mm)	%	10	13
6	Porosität	%	49	48
7	Trommelindex	%	83,5	85
8	Coke Strength after Reaction (CSR)	%	58	60

Geschichte

Die CDQ-Technik wurde in den 1920er Jahren von den Gebrüdern Sulzer in der Schweiz eingeführt. Jahrzehnte später entwickelte das Giprokoks-Institut in Russland ein verbessertes Konzept für den Dauerbetrieb. Nach Pilot- und Pilot-Industrieversuchen ging 1965 die erste volle CDQ-Anlage im Tscheljabinsker Eisen- und Stahlwerk (damals UdSSR) in Betrieb. 1978 liefen dort bereits ca. 50 CDCP-Module à 56 t/h. In den letzten zwei Jahrzehnten wurde CDQ zunehmend akzeptiert, obwohl CWQ noch verbreitet ist. Heute laufen viele CDQ-Anlagen weltweit. Abbildung 1 zeigt ein Giprokoks-CDQ-Modul mit 56 t/h Kapazität.

Japan erwarb 1975 die Lizenz von der UdSSR und nahm 1976–77 drei Anlagen in Betrieb. Mit steigender Kokereikapazität wuchs auch der Bedarf an größeren CDQ-Anlagen. Japan entwickelte Einschamber-CDQ-Anlagen für große Koksmengen. Bei Einschamber-Anlagen ist die Verfügbarkeit kritisch, da keine Reserveeinheiten existieren. Für unerfahrene Bediener ist stabiler Betrieb durch Parameteranpassung schwierig. In jüngster Zeit wurden neue Automatisierungstechnologien für CDQ-Anlagen entwickelt. Abbildung 2 zeigt den Kapazitätszuwachs der CDQ-Kammern seit 1975.

CDQ-Prozess

Der Heißkoks wird nach dem Stoßen in Bodenöffnungsbehältern auf Löschwagen zur CDQ-Anlage transportiert. Der Behälter wird per Hub-/Beschickungsvorrichtung zum Kammertopf gehoben und der rotglühende Koks (ca. 1.000–1.100 °C) in die Vorkammer entleert. Im Kühlraum wird der Koks durch zirkulierendes Gas gegenstromgekühlt: Gas steigt auf, Koks sinkt durch Schwerkraft ab.

Das Zirkulationsgas in einer kontinuierlich laufenden CDCP-Anlage ist ein Gemisch aus vorwiegend Stickstoff (N₂) mit geringen Mengen CO₂, CO und H₂. Typische Zusammensetzung: N₂ 70–75 %, CO₂ 10–15 %, CO 8–10 %, H₂ 2–3 %. Der Heißkoks wird beim Abstieg auf <200 °C gekühlt und unten ausgetragen. Verweilzeit: 5–6 Stunden. Tabelle 2 zeigt typische Betriebsparameter für 56 t/h Kapazität.

Tabelle 2: Typische Parameter für CDQ-Anlage mit 56 t/h Kapazität
Nr.	Parameter	Einheit	Wert
1	Kapazität	t/h	56
2	Koks-Beschicktemperatur	°C	1.000–1.050
3	Koks-Austragstemperatur	°C	200
4	Gas-Eintrittstemperatur	°C	170
5	Gas-Austrittstemperatur	°C	800–850
6	Dampferzeugung	t/h	25
7	Dampfdruck	kg/cm²	40
8	Dampftemperatur	°C	440
9	Gesamtgasvolumen	Nm³/h	84.000

Das heiße Zirkulationsgas (ca. 800–850 °C) durchläuft nach dem Wärmeaustausch im Kühlraum den Primärstaubabscheider und gelangt in den Kessel. Nach Wärmeaustausch im Kessel kühlt es auf ca. 180 °C ab. Der erzeugte Dampf dient als Prozessdampf oder wird zu überhitztem Hochdruckdampf für die Stromerzeugung über Turbinengenerator weiterverarbeitet.

Das Zirkulationsgas passiert den Sekundärstaubabscheider, wird im Umluftgebläse verdichtet, durch N₂-Zugabe in der Zusammensetzung korrigiert und unten in die CDQ-Kammer eingeblasen. Bei Bedarf wird ein Nachwärmetauscher installiert, um die Gastemperatur auf ca. 130 °C zu senken und die Kühleffizienz zu steigern.

Zu den Hilfseinrichtungen gehören: Abschneidevorrichtung für Koks im Kammmer, Staubabscheidesystem für das Zirkulationsinertgas, Sekundärstaubabscheider vor dem Umluftgebläse. Abbildung 3 zeigt den Prozessfluss.

Vorteile des CDQ-Prozesses

CDQ bietet gegenüber CWQ wesentliche Vorteile:

Nutzung der sensiblen Wärme des Heißkoks

Durch Trockenlöschung kann elektrischer Strom ohne Fossilbrennstoffverbrauch erzeugt werden – CO₂-Reduktion. Beispiel (Abb. 4): CDQ mit 200 t/h Kapazität erzeugt ca. 36 MW elektr. Leistung. Für dieselbe Leistung mit einem Schwerölkessel wären 12 t/h Schweröl nötig, was 36 t/h CO₂-Emissionen verursacht. CDQ bietet somit ökonomische und ökologische Vorteile. Da die sensible Wärme zurückgewonnen wird, ergibt sich Nettoenergieeinsparung von ca. 0,25 Gcal/t Koks. CDQ ermöglicht die effektive Nutzung der Energie, die beim CWQ in die Atmosphäre entweicht.

Umweltschutz

Bei CDQ entweicht kein weißer Rauch (typisch für CWQ-Löschtürme), der hohe Staubgehalte aufweist. Alle Prozesse sind vollständig gekapselt, was die Arbeitsumgebung verbessert.

Beim CWQ werden große Mengen Koksstaub (ca. 300–400 g/t Koks) mit dem Dampf emittiert. Das neuere "Coke Stabilizing Quenching" (CSQ) reduziert Staubemissionen, aber CDQ ist noch effizienter: Staubemission <3 g/t Koks (Abb. 4), mit weiter sinkender Tendenz durch kontinuierliche Verbesserungen.

CDQ ist auch wasserschonend: Kein Wasserverbrauch im Gegensatz zu CWQ, wo Wasser Löschmedium ist.

Beitrag zur Produktivitätssteigerung am Hochofen

Die verbesserte Koksqualität durch CDQ steigert die Hochofenproduktivität. Zwei herausragende Merkmale gegenüber CWQ-Koks:

• Höhere mechanische Festigkeit
• Sehr geringer Feuchtegehalt (fast null)

Daraus resultierende Vorteile am Hochofen:

• Brennstoffverbrauch sinkt um einige Prozent, da keine Zusatzenergie für Feuchteverdampfung nötig. Dies reduziert CO₂ am Hochofen und verbessert die Stromerzeugung am TRT (Topdruck-Rückgewinnungsturbine) durch höhere Ofenkopftemperatur.
• Durch höhere Koksfestigkeit verbessert sich die Permeabilität im Hochofen, was die Reduktionsreaktionseffizienz und die Roheisenproduktivität steigert. Öfen mit CDQ-Koks laufen stabiler.
• Höhere Koksfestigkeit ermöglicht ausreichende Permeabilität im Ofeninneren und damit höhere Pulverkohleinspritzraten (PCI).

Verbesserung der Koksqualität

Die Koksqualität wird durch CDQ gegenüber CWQ verbessert. Sie ist stabiler (Standardabweichung ca. 1,25 %). Gleichmäßige Qualität erleichtert den Hochofenbetrieb. Grund: Der Koks wird im CDQ-Kammmer allmählich durch Zirkulationsgas gekühlt statt schlagartig durch Wasserstrahlen (CWQ). Die Wassergasreaktion wird vermieden. Erwartete Verbesserungen: Trommelindex +1,5 %, CSR +2,5 %. Der allmählich gekühlte Koks ist frei von Oberflächenporen und inneren Rissen, die bei nassgelöschtem Koks typisch sind.

Der Festigkeitszuwachs fällt geringer aus, wenn der Kohlenmix viel hochwertigen Kokskohle enthält. Höherer Anteil schwacher Kokskohle im Mix bringt zusätzliche Kostenvorteile durch CDQ.