Optimierung der Koksöfenbatterie-Leistung für metallurgische Betriebe

Nicht-regenerative Koksöfenbatterie

Metallurgischer Koks ist ein harter Kohlenstoffstoff, der im Prozess der „destruktiven Destillation“ verschiedener Gemische von Flammkohle entsteht. Er wird durch Verkohlung von Kohle bei hohen Temperaturen (ca. 1100 °C) in sauerstoffarmer Atmosphäre in einem Koksofen erzeugt.

Die Koksherstellung durch Erhitzen von Kohle unter Luftabschluss hat ihren Ursprung zu Beginn der industriellen Revolution, als Abraham Darby 1709 in England Koks zur Verhüttung von Erzen einsetzte. Das Verfahren entsprach zunächst der Holzkohleherstellung: Kohlehaufen anzünden, Seiten mit Lehm bedecken. Dies legte den Grundstein für Bienenkorböfen. Schrittweise Fortschritte führten zu Bienenkorb-, Flammofen- und Nebenproduktöfen, gipfelnd in regenerativen Koksöfen mit Nebenproduktrückgewinnung vor etwa einem Jahrhundert.

Die Technologie nicht-regenerativer Koksöfen geht auf die klassischen Bienenkorböfen zurück, die seit dem 18. Jahrhundert den Koks für die industrielle Revolution lieferten. Bienenkorböfen waren manuell betrieben, mit geringer Wärmerückgewinnung nur für die Ofenheizung. Heute sind nicht-regenerative Öfen moderne Konstruktionen, hochmechanisiert und teilautomatisiert. Bei der Verbrennung der flüchtigen Bestandteile entstehende Gase werden durch Abzugskanäle geleitet und weiter verbrannt, um Ofenboden und -wände zu heizen.

Drei bewährte Verfahren der metallurgischen Koksherstellung

Es gibt drei bewährte Verfahren: (i) Bienenkorböfen, (ii) Nebenprodukt-Koksöfen, (iii) nicht-regenerative Koksöfen. Wenn die Wärmeenergie der Abgase als Dampf zurückgewonnen wird, heißen nicht-regenerative Öfen Wärmerückgewinnungs- oder Energierückgewinnungs-Koksöfen. Bei allen drei Verfahren werden Öfen meist in Reihen gebaut – ein Ofen neben dem anderen mit gemeinsamen Wänden. Eine solche Ofenreihe wird als Batterie bezeichnet. Eine Batterie besteht meist aus vielen, manchmal hunderten Öfen in Reihe.

Ein Bienenkorbofen ist eine einfache Feuersteinkammer mit gewölbtem Dach, sodass die innere Form einem traditionellen Bienenkorb ähnelt. Bienenkorbkokerei ist veraltet wegen geringer Ausbeute und hoher Umweltbelastung, wird aber noch an manchen Orten genutzt.

Bei der Nebenprodukt-Koksöfenbatterie wird Kohle unter Luftabschluss verkokt, da diese Batterien mit leichtem Überdruck in den Öfen betrieben werden. Der Kokereiprozess heißt Nebenproduktkokerei, da das Ofengas gesammelt und zur Nebenproduktanlage geleitet wird, wo verschiedene Nebenprodukte zurückgewonnen werden.

Bei der nicht-regenerativen Kokerei werden die bei der Kohleverkokung entstehenden Flüchtigen nicht als Nebenprodukte zurückgewonnen, sondern im Ofen selbst bei kontrollierter Luftzufuhr verbrannt. Die Wärme der entstehenden Gase wird zur Verkokung der Kohlemasse zu Koks genutzt – keine externe Beheizung erforderlich. Die Wärme wird durch Verbrennung der flüchtigen Bestandteile erzeugt, strahlt vom Ofendach in die Kohlemasse ein und leitet sich auch durch Wärmeleitung. Der hohe Wärmestandard zersetzt potenziell schadhafte Kohlenwasserstoffe in brennbare Bestandteile und verbrennt sie, wodurch gefährliche Verschmutzung vermieden wird. Die Verbrennungswärme wird nur teilweise prozessual genutzt; die Restwärme im Abgas wird zur Energieerzeugung zurückgewonnen.

Das Abgas führt erhebliche sensible Wärme und einige Brennstoffe. Da außer Koks nichts aus diesen Öfen zurückgewonnen wird, heißen sie nicht-regenerative Koksöfen. Werden die Brennstoffe im Abgas verbrannt und die erzeugte Wärme samt sensibler Abgaswärme zur Dampferzeugung und Stromgeneration genutzt, heißen sie Wärmerückgewinnungs- oder Energierückgewinnungs-Koksöfen.

Die Grundlage nicht-regenerativer Koksöfen mit Wärmerückgewinnung ist der sogenannte „Jewell-Thompson-Ofen“. Diese Öfen wurden 1960 entwickelt, als drei Testöfen in Vansant, VA erfolgreich gebaut wurden. 1972 folgten 16 große Jewell-Thompson-Öfen. Die erste nicht-regenerative Koksanlage mit Wärmerückgewinnung ging im März 1998 in Indiana, USA in Betrieb: 268 Öfen, 1,3 Mio. t/a Kapazität, 100 MW Wärmerückgewinnungskraftwerk. Der Jewell-Thompson-Ofen hat rechteckigen Grundriss, die Auskleidung besteht aus Silica-Feuerfestmaterial.

Schlüsselelemente der nicht-regenerativen Koksöfentechnologie

• Koks wird durch Erhitzen von Kohle in kontrollierter Atmosphäre erzeugt, wobei flüchtige Bestandteile (Gas und Feuchte) freigesetzt werden.
• Das Gas wird umweltfreundlich („smart“) verbrannt, um die Wärme zur Koksherstellung zu erzeugen.
• Überschüssige Prozesswärme wird zur Stromerzeugung genutzt.
• Das Verfahren basiert nicht auf Kohleverbrennung, sondern nur auf dem aus der Kohle freigesetzten Gas.
• Treibhausgasemissionen entsprechen einem einfachen Gaskraftwerk, das Dampf für eine Turbine erzeugt.

Nicht-regenerative Koksöfen produzieren Qualitätskoks für Hochofen, Kupolöfen, Ferrolegierungsöfen etc. Sie eignen sich für hochwertigen Koks für Hochofenbetrieb mit hoher Pulverkohleinspritzung (bessere Kokseigenschaften nötig) oder für Standardqualität basierend auf Gemischen mit Anteilen nicht-verkokbarer Kohlen.

Vergleich mit Nebenproduktöfen

Der Vergleich der Koksherstellung im Nebenprodukt- und nicht-regenerativen Kokshofen ist in Abb. 1 dargestellt.

Der Vergleich verschiedener Parameter ist in Tabelle 1 gegeben.

Tabelle 1: Vergleich Nebenproduktöfen und nicht-regenerative Öfen
Nr.	Parameter	Nebenproduktofen	Nicht-regenerativer Ofen
1	Ofendruck	Leicht positiv	Leicht negativ
2	Ofenhöhe	Hohe Öfen	Horizontale breite Öfen
3	Ziegelformen	Viele	Wenige
4	Wärmeversorgung	Extern durch Brenngas	Intern durch Teilverbrennung der Flüchtigen
5	Wärmeübergang	Indirekt, horizontal, Leitung	Direkt, vertikal, Strahlung/Konvektion von oben und indirekte Leitung von unten
6	Verschmutzung	Umweltunfreundlich	Praktisch keine Verschmutzung
7	Investitionskosten	Höher	Niedriger
8	Energiebedarf	Höher	Niedriger
9	Betriebskosten	Höher	Niedriger
10	Bauzeit	Länger	Kürzer
11	Inbetriebnahme	Langsam	Schnell
12	Kokskohle	Qualitätsrestriktionen	Flexibilität verfügbar
13	Nebenprodukte	Viele	Keine Nebenprodukte
14	Koprodukt	CO-Gas	Dampf/Strom
15	Wanddruck	Anfällig	Nicht anfällig
16	Verkohlungstemperatur	Niedriger	Höher
17	Koksausbeute	Höher	Niedriger
18	Koksqualität	Niedriger	Höher
19	Personal	Qualifiziert	Weniger qualifiziert
20	Wartung	Heiße Wartung	Öfen können zum Wartung abkühlen

Der Vergleich der Sankey-Diagramme der Nebenprodukt-Koksanlagen und Wärmerückgewinnungs-Koksanlagen ist in Abb. 2 dargestellt.

Design- und Konstruktionsmerkmale nicht-regenerativer Koksöfen

Es gibt mehrere Designs für nicht-regenerative Koksöfen. Hauptmerkmale einiger Designs:

Jewell-Thompson-Koksöfen

Typische Kammerabmessungen: 14 m Länge, 3,5–3,7 m Breite, 2,4–2,8 m Höhe. 40–50 t Kohle pro Ofen. Typische Beschickungshöhe 1000 mm. 23 Feuersteinformen. Kohlegemisch wird einseitig über eine „Pusher-Charger-Maschine“ (PCM) auf Schienen entlang der Öfen beschickt. Unmittelbar nach Beschickung nimmt die Kohle Wärme von den Feuerfeststoffen auf, Verbrennung der Flüchtigen beginnt.

Unter dem Ofendach erfolgt Teilverbrennung der Flüchtigen auf der Kohlemasse. Bald darauf werden Gase zum Ofenherd gesaugt, wo mehr Luft zur vollständigen Verbrennung zugeführt wird. Die Verkohlungsfront schreitet von unten und oben voran und trifft sich in der Mitte. Kein Druckaufbau wie bei Nebenproduktöfen, daher können niedrigflüchtige Kohlen beigemischt werden.

Temperatur, Druck und innere Verbrennung werden gesteuert. Kokzeit ca. 48 Stunden. Koksausstoß mit derselben PCM wie bei der Beschickung. Koks wird mit Wasser gelöscht. Alles Löschwasser wird bis auf Verdunstungsverluste zurückgewonnen. Querschnitt in Abb. 3.

Chinesisch designte nicht-regenerative Öfen

Chinesen bauten neben standardmäßigen horizontalen Wärmerückgewinnungsöfen auch vertikale nicht-regenerative Öfen. Bei horizontalen Öfen: Ofendach 120°-Bogenstruktur. Einstellbare Primärlufteinlässe im Bogen bilden eine Abgasschutzschicht zwischen Kohle und Brennzone. Vier verbundene Bögen am Ofenboden. An der Basis einstellbare Sekundärlufteinlässe zur Luftverteilung im Abzug für weitere Verbrennung des Austrittsgases zur Ofenbodenheizung. Abzüge in Wand und Boden koordinierbar. Belüftungsschicht zwischen Ofenfundament und Sohle verhindert Überhitzung der Bodenplatte. Hauptwand mit Saugverstelleinrichtungen.

Ofentür in zwei Sektionen: oberer fest, unterer beweglich – verhindert Rußleckage. Aus Gusseisen mit Keramikfaserauskleidung.

Abmessungen einer horizontalen Wärmerückgewinnungs-Koksöfenbatterie: 13.340 mm Länge, 3.596 mm Breite, 2.758 mm Höhe, 4.292 mm Mittenabstand. Effektive Kohlekuchenabmessungen: 1.300 mm Länge, 3.400 mm Breite, 1.100 mm Höhe. Schüttdichte der Beschickungskohle: 1,0–1,5 t/m³. Kohladekapazität ca. 50 t, Kokzeit 72 Stunden.

Zwei weitere Designs: Abmessungen 13.334 mm / 15.440 mm Länge, 3.598 mm / 3.700 mm Breite, 2.888 mm / 2.693 mm Höhe, Mittenabstand 4.530 mm / 4.300 mm. Effektive Kohlekuchenabmessungen: 12.750 mm / 14.850 mm Länge, 3.500 mm / 3.600 mm Breite, 1.050 mm / 1.000 mm Höhe. Kohladekapazitäten (trocken): 42,393 t / 51,856 t, Kokzeit 72 h / 70 h.

Die erste vertikale Wärmerückgewinnungs-Koksöfenbatterie wurde 2002 in China gebaut. Gegenüber horizontalem Typ: weniger Platzbedarf, 20–30 % geringere Baukosten. Wichtig: Trennung von Verkohlungskammer und Brennkammer vermeidet Koksverbrennung, die im horizontalen Typ auftreten kann. Wärme kommt nur durch Feuerfeststoffe, wie bei konventionellen Batterien. Zwei Lufkühlkanalschichten am Batterieboden. Fundamenttemperatur 100–150 °C, verhindert Versagen. Hauptparameter in Tabelle 2.

Tabelle 2: Technische Parameter vertikaler Wärmerückgewinnungs-Koksöfen
Nr.	Parameter	Einheit	Wert
1	Verkohlungskammer
	Höhe	mm	3.200–4.830
	Länge	mm	12.570–16.940
	Mittlere Breite	mm	560
	Mittenabstand	mm	1.180
2	Beschickungsgewicht	t	ca. 24
3	Kuchenschüttdichte	t/m³	1,0–1,1
4	Kokzeit	h	38
5	Anzahl Öfen	Stück	4×35
6	Trennwanddicke	mm	100
7	Ofensohlendicke	mm	1.182
8	Nutzhöhe	mm	2.800–4.400
9	Zentrale Temperatur	°C	1.000 ± 50
10	Ausgestoßener Koks	t	ca. 18
11	Abgas	Nm³/h	350.000
12	Abgastemperatur	°C	950 ± 50

Sesa Goa Koksöfendesign

Die Öfen sind schmaler als Jewell-Thompson-Öfen, ermöglichen römischen Bogen für das Dach. Auskleidung aus aluminösen Feuerfeststoffen – kleinere Breite. Ofen: 10.760 mm Länge, 2.745 mm Breite. 21 Öfen an einen Schornstein. Obere Beschickung. Aluminöse statt Silica-Feuerfeststoffe wegen besserem Verhalten unter oxidierender Atmosphäre, besserer thermischer Schockfestigkeit, geringerem Volumenänderung beim Abkühlen bei Verzögerung der Nachbeschickung. Betrieb mit komprimierter Kohlade.

Uhde-Design

Aktuelles Uhde-Design: Stempelbeschickung, aber Beschickungsmaschine fährt nicht in den Ofen. Ofenabmessungen: 3,8 m Breite, 15 m Länge. Auskleidung aus Silicaziegeln. Abgasstollen verläuft lateral unter Ofensohlenniveau statt über den Öfen.

SJ 96 Koksöfen

In-house von Shanxi Sanjia entwickelt, charakterisiert durch außergewöhnliches Kohladegewicht: 120 t. Daher lange Kokzeit: 10 Tage vs. 48–72 h typisch. Kohlemassenhöhe 1,8 m, Nivellierung bei 90 cm und 180 cm. Be- und Entladung manuell bei abgekühltem Ofen. Temperaturen ca. 1.200 °C (obere Kohleschicht), 1.150 °C (untere). Gas wird vollständig in Unterflammen unter dem Ofen verbrannt, Temperatur zur Dampferzeugung für Stromgeneration genutzt.

Kokereiprozess in nicht-regenerativen Öfen

In nicht-regenerativen Koksöfen werden alle flüchtigen Bestandteile der Kohle im Ofen verbrannt, um die für die Kokerei benötigte Wärme bereitzustellen. Der Ofen arbeitet unter Unterdruck. Primärverbrennungsluft wird durch Öffnungen in den Ofentüren zugeführt, verbrennt die flüchtigen Bestandteile im Ofenraum teilweise. Sekundärluft wird in die Sohlenzüge eingeleitet, die schlangenförmig unter der Kohlemasse verlaufen. Das Zugdesign und die Luftstromsteuerung ermöglichen gleichmäßige Verkohlungsrate oben und unten.

Im Gegensatz zur Nebenproduktkokerei, bei der der Koks ausschließlich indirekt durch Gasverbrennung in Heizzügen außerhalb der Ofenkammer beheizt wird, wird bei nicht-regenerativer Kokerei die nötige Wärme sowohl direkt als auch indirekt in die Ofenkammer übertragen.

Kohle wird zu Zyklusbeginn auf den Ofenboden geladen. Der Verkohlungprozess startet durch die Restwärme des vorangegangenen Zyklus. Beschickung erfolgt durch offene Pusher-Seitentür. Oft wird Kohle vorab gestempelt und dann in die heiße Ofenkammer geladen. Typische Beschickungshöhe: 1.000 mm.

Das freigesetzte Rohkokereigas wird im Ofengewölbe durch Umgebungsluft über die Ofentüren teilweise verbrannt. Die Gase strömen durch Abzugskanäle in die Heizzüge im Ofenboden. Dort erfolgt bei 1.200–1.400 °C durch weitere Umgebungsluftzufuhr die vollständige Verbrennung. Die Gase gelangen in einen Nachbrennerstollen, wo verbliebene unverbrannte Gase oxidiert werden. Das Nachbrennersystem leitet die heißen Gase zu den Wärmerückgewinnungs-Dampferzeugern.

In allen neueren Anlagen wird das heiße Abgas zur Energieerzeugung genutzt und anschließend entswfelt vor der Ableitung in die Atmosphäre. Kokzeit variiert mit Ofentyp: 48–72 Stunden je nach Design. Nach Kokzeitende wird Koks ausgestoßen und meist nass gelöscht.

Durch den Unterdruck werden Emissionen durch Undichtigkeiten an den Türen prinzipiell vermieden. Staubemissionen beim Koksausstoß werden über einen Koksseitenschuppen abgesaugt. Oft sind Saugvorrichtungen an der Pusher-Seite installiert, um Emissionen beim Laden zu erfassen.

Emissionstechniken beim Laden, Ausstoßen und Löschen ähneln denen bei Nebenproduktöfen.

Durch die entstehenden Temperaturen werden alle giftigen Kohlenwasserstoffe und Nebenprodukte der flüchtigen Bestandteile im Ofen thermisch oxidiert. Heiße Gase strömen im Abgasstollen zu Wärmerückgewinnungs-Dampferzeugern, wo Hochdruckdampf für Heizzwecke oder Stromerzeugung produziert wird. Das abgekühlte Abgas wird in einer Rauchgasentschwefelungsanlage gereinigt vor Ableitung in die Atmosphäre. Prozessflussdiagramm in Abb. 4.

Vorteile nicht-regenerativer Koksöfen

Verschiedene Vorteile: (i) keine Abwasserbehandlungsanlage nötig, (ii) keine Netto-Abwasserabgabe – alles Abwasser wird zum Kokslochen genutzt, (iii) höhere Flexibilität bei Kohlegemischwahl durch Wegfall von Wanddruckrestriktionen, (iv) verbesserte Koksfestigkeit durch langsames Erhitzen bei höheren Temperaturen und längere Ausgleichszeit für konsistentes Kristallwachstum, (v) weniger Platzbedarf vs. Kokshofen + Nebenproduktanlage, (vi) modulare Bauweise möglich, (vii) Unterdruckbetrieb zieht Umgebungsluft an jedem Eintrittspunkt in den Ofen – verhindert flüchtige Emissionen, (viii) gefährliche Luftschadstoffe werden im Ofen durch thermische Oxidation zerstört, (ix) weniger Prozesskontrollpunkte.