Erzeugung und Nutzung von Kokereigas in der Roheisenherstellung

Koks ist essenzieller Input für die Roheisenherstellung. Herstellung: Kohle wird luftfrei erhitzt, um flüchtige Bestandteile (Volatile Matter, VM) zu entfernen. Umwandlung Kohle → Koks = Kohleverkokung in Koksofen. Koksofenbatterie = mehrere Koksofen. Zwei Hauptverfahren für Hochofenkoks:

1. Rückgewinnungsverfahren (By-Product): Kohle in vollständig reduzierender Atmosphäre erhitzt, flüchtige Produkte in Nebenproduktanlage zurückgewonnen. Öfen = By-Product-Öfen, Batterie = By-Product-Koksofenbatterie. Bei Verkokung entweicht VM (25–30 % der Kohle) als heißes Roh-Kokereigas (gelbbraun, brennbar, organischer Geruch).
2. Nicht-Rückgewinnungsverfahren (Non-Recovery / Heat Recovery / Energy Recovery): Luft wird über Koksbett im Koksofen eingeleitet, flüchtige Produkte verbrennen im Ofen selbst → liefern Wärme für Verkokung.

Nebenproduktanlage (By-Product Plant)

Integraler Bestandteil des By-Product-Kokereiprozesses. Jeder Ofen zyklisch, aber Batterie enthält genügend Öfen für im Wesentlichen kontinuierlichen Rohgasstrom. Einzelöfen werden in etwa gleichmäßigen Zeitintervallen während des Verkokungszyklus be- und entleert. Verkokung 15–18 h für BF-Koks. In dieser Zeit destilliert VM als Roh-Kokereigas. Verkokungszeit bestimmt durch Kohlemix, Feuchte, Unterfeuerungsrate, gewünschte Kokseigenschaften. Bei niedriger Koksnachfrage: Verkokungszeit auf 24 h verlängerbar. Verkokungstemperaturen: 900–1.100 °C. Luftzutritt durch positiven Rückdruck im Sammelhaupt verhindert. Öfen unter positivem Druck durch hohen hydraulischen Hauptdruck (~10 mm Wassersäule). Gase/Kohlenwasserstoffe aus thermischer Destillation werden über Abzugssystem zur Nebenproduktanlage geleitet.

Große Gasmengen aus VM-Verdampfung während Koksproduktion in By-Product-Batterie werden in angrenzender Nebenproduktanlage behandelt. Während Verkokungszyklus wird Gas über Großteil der Periode produziert. Zusammensetzung und CO-Entwicklungsrate ändern sich; CO-Entwicklung normalerweise abgeschlossen bei 700 °C Kohleladung. Dieses Gas = Roh-Kokereigas, wird in Nebenproduktanlage verarbeitet. Funktionen: (i) Rohgas verarbeiten zur Rückgewinnung wertvoller Kohlechemikalien, (ii) Rohgas ausreichend behandeln für sauberes, umweltfreundliches Brenngas. Behandeltes Roh-Kokereigas = Reines Kokereigas (Clean Coke Oven Gas, CO Gas).

In By-Product-Batterie verlässt Kokereigas Koksofenkammern bei hohen Temperaturen (~1.100 °C). Rohgas wird durch adiabatische Verdampfung von Sprühflüssigkeit (Spülflüssigkeit) auf ~80 °C gekühlt und wassergesättigt. Temperatur niedrig genug für Gasammelhaupt. Vom Sammelhaupt fließt Rohgas in Saughaupt. Menge gesprühter Spülflüssigkeit weit über Kühlbedarf hinaus – Restflüssigkeit spült kondensierten Teer/andere Verbindungen im Sammelhaupt. Spülflüssigkeitsstrom fließt unter Schwerkraft mit Rohgas in Saughaupt. Trennung Rohgas/Spülflüssigkeit über Ablasstopf (Downcomer) im Saughaupt. Getrennte Strömung zur Nebenproduktanlage. Typische Hauptbestandteile Roh-Kokereigas in Tabelle 1.

Gesättigtes Rohgas aus Koksofenbatterie enthält ~46–48 % Wasserdampf. Übrige Bestandteile: H₂, CH₄, N₂, CO, CO₂, höhere Paraffine/ungesättigte Kohlenwasserstoffe (Ethan, Propan etc.), O₂ etc. Rohgas enthält diverse Verunreinigungen für einzigartige Charakteristik: (i) Teerkomponenten, (ii) Teersäuregase (phenolische Gase), (iii) Teerbasengase (Pyridinbasen), (iv) BTX (Benzol, Toluol, Xylol), Leichöl, andere Aromaten, (v) Naphthalin, (vi) Ammoniakgas, (vii) Schwefelwasserstoffgas, (viii) Blausäuregas, (ix) Ammoniumchlorid, (x) Kohlenstoffdisulfid.

Zur Eignung als sauberes, umweltfreundliches Brenngas muss Nebenproduktanlage: (i) Rohgas kühlen zur Kondensation Wasser/Verunreinigungen, (ii) Teer/Naphthalin entfernen (Verhinderung Gasleitungs-/Anlagenverunreinigung), (iii) Ammoniak (NH₃) entfernen (Verhinderung Gasleitungskorrosion), (iv) Benzolöl entfernen (Rückgewinnung/Verkauf BTX), (v) Schwefelwasserstoff entfernen (Einhaltung lokaler Emissionsvorschriften bei Kokereigasverbrennung). Abb. 1: Fließschema Rohgasbehandlung.

Auswirkungen Nebenproduktrückgewinnung: (i) Gasvolumenreduktion, (ii) Heizwertreduktion, (iii) Einfluss Flammentemperatur/-volumen, (iv) Dichte-/Zusammensetzungsänderung. Reines Kokereigas: farbloses Gas mit Geruch nach Schwefelwasserstoff/Kohlenwasserstoffen.

Roh-CO-Gas kann enthalten: H₂, CH₄, N₂, CO, CO₂, Ethan, O₂, Ethylen, Benzol. Auch: Ammoniak, Schwefelwasserstoff, Wasserdampf, Cyclopentadien, Toluol, Naphthalin, Blausäure, Cyanogen, Stickstoffmonoxid. Typische Zusammensetzung reines Kokereigas in Tabelle 2.

Endausbeute reines Kokereigas nach Nebenproduktanlage: ~300 Nm³/t trockener Kohle. Gasausbeute abhängig von: (i) VM in Aufladekohle, (ii) Verkokungsbedingungen. Dichte CO-Gas (Normbedingungen): 0,45–0,50 kg/m³. Heizwert: 4.000–4.600 kcal/Nm³. Theoretische Flammentemperatur: 1.982 °C. Flammenausbreitungsrate lässt tatsächliche Flammentemperatur theoretischer nahekommen. CO-Gas trägt ~18 % Inputenergie in Koksofen/Nebenproduktanlage (Abb. 2).

Analysedaten: Flüchtige HAP (Hazardous Air Pollutants) zusammen <1 Vol-% in CO-Gas nach konventioneller Rohgasbehandlung. Daher: CO-Gas-Verbrennung in gut gewarteten Feuerungsanlagen (Prozessheizer, Kessel etc.) → sehr niedrige HAP-Emissionen. Filterbare Partikelemissionen (PM) typisch niedrig. HAP-Metallemissionen nicht signifikant.

Verwendung von Kokereigas

Kokereigas ist Hauptbestandteil der Energiebilanz des Hüttenwerks. Normalverwendung: Koksofenbatterieheizung, andere Hüttenöfen, Stromerzeugung. Pur oder mit Hochofengas gemischt als Brennstoff.

COG auch als Reduktionsmittel im Hochofen nutzbar. CO-Gas-Injektion: Große Volumen Kokereigas in Hochofen-Rennfeuer (Raceway) injiziert. Liefert nicht nur zusätzlichen Kohlenstoff, sondern beschleunigt Flüssigeisenproduktion, reduziert Bedarf an metallurgischem Koks für Reaktionen. CO-Gas-Injektionstechnologie senkt absolute CO₂- und SO₂-Emissionen am Hochofen.

DRI-Produktion (Direct Reduced Iron) im integrierten Stahlrouten auf Basis verfügbarem CO-Gas: sehr junges Phänomen. Nutzung überschüssigen CO-Gas als Reduktionsgas für DRI: Vorteile ökonomisch/ökologisch. Nutzung überschüssigen CO-Gas für DRI gewinnt 97 % verfügbarer Energie vs. 30–40 % bei Verbrennung zur Stromerzeugung. Abb. 3: Typischer Gasfluss im Hüttenwerk mit CO-Gas-Nutzung.

IEA-Studie 2007: ~70 % CO-Gas in Eisen-/Stahlherstellung, 15 % Koksofenheizung, 15 % Stromerzeugung. Mehr CO-Gas für Stromerzeugung (bevorzugt effizientere GuD-Kraftwerke ~42 % vs. Dampfkraftwerke ~30 %) → Energieeffizienzsteigerung.