Schlüsselfaktoren für den Koksverbrauch im Hochofenbetrieb

Der Hochofen (BF) ist ein Gegenstromreaktor, in dem das Reduktionsgas durch Vergasung des Kohlenstoffs des BF-Kokses mit dem Sauerstoff der Heißluftblasung, die über die Tuyeren im unteren Ofenbereich eingeblasen wird, erzeugt wird. Das Reduktionsgas strömt nach oben und reduziert die eisenhaltigen Beschickungsmaterialien, die am Ofenkopf aufgeladen werden.

Koksatz ist der Parameter für den Verbrauch von BF-Koks, gemessen in Kilogramm BF-Koks pro Tonne erzeugtem Roheisen.

BF-Koks ist ein Schlüsselmaterial für die Hochofeneisenherstellung und wirkt als Hauptenergiequelle (Brennstoff), Reduktionsmittel, Karburisierungsmittel und permeabler struktureller Träger. Es gibt kein anderes zufriedenstellendes Material, das BF-Koks als permeablen Träger der Hochofenbeschickung vollständig oder teilweise ersetzen kann.

BF-Koks ist der wichtigste Rohstoff, der in den Hochofen eingebracht wird, hinsichtlich seiner Auswirkung auf den Hochofenbetrieb und die Roheisenqualität. Hochwertiger BF-Koks kann einen reibungslosen Abstieg der Hochofenbeschickung mit minimaler Degradation unterstützen, während er geringste Verunreinigungen, höchste thermische Energie, höchste Metallreduktion und optimale Permeabilität für den Fluss gasförmiger und flüssiger Produkte bietet. Die Einführung von hochwertigem BF-Koks in einen Hochofen führt zu niedrigerem Koksatz, höherer Produktivität und niedrigeren Roheisenkosten. Die Rolle von Koks bei der Verbesserung der BF-Leistung ist in Abb. 1 dargestellt.

Abb. 1 Rolle von Koks bei der Verbesserung der BF-Leistung

Eine realistische Bewertung der wahrscheinlichen Leistung von Koks im Hochofen, mit oder ohne Einspritztechnologie, umfasst jene Kokeigenschaften, die seine Beständigkeit gegen Degradation unter der chemischen und thermischen Umgebung des Hochofens widerspiegeln. Solche Eigenschaften, die Richtlinien für den Kokseinsatz liefern, beziehen sich auf Stückgröße, Form- und Größenuniformität, chemische Zusammensetzung, mechanische Festigkeit sowie thermische und chemische Stabilität. Somit muss Koks für den Hochofen ein erfolgreicher Kompromiss zwischen Struktur und Eigenschaften sein. Um gute Hochofenleistung zu gewährleisten, sollte Koks mäßig groß sein, mit engem Größenbereich und hoher mechanischer Festigkeit, um den schwächenden Reaktionen mit Kohlendioxid und Alkali, Abrieb und thermischem Schock im Hochofen standzuhalten. Aufgrund der vielen unbekannten Faktoren ist es nicht möglich, universelle Qualitätsindizes für alle Hochöfen festzulegen, obwohl typische Spezifikationen für BF-Koksqualität verfügbar sind.

Im BF-Koks vorhandene Verunreinigungen beeinträchtigen seine Leistung im Hochofen, indem sie seine Rolle als Brennstoff in Bezug auf die verfügbaren Kohlenstoffmengen für direkte und indirekte Reduktionsrollen sowie seine Rolle als permeabler Träger verringern. Solche Verunreinigungen sind Feuchtigkeit, flüchtige Bestandteile, Asche, Schwefel, Phosphor und Alkali. Ihre Gehalte sollten so niedrig wie möglich gehalten werden.

Der Feuchtigkeitsgehalt ist eine direkte Folge des Koksabschreckprozesses mit gewisser Abhängigkeit von der Größe. Hohe und variable Feuchtigkeitsgehalte beeinflussen sowohl den Koksatz als auch die Bilanzen im Hochofen, während hohe Gehalte an flüchtigen Bestandteilen Betriebsprobleme bei der Hochofengasreinigung verursachen.

Bezüglich anderer chemischer Eigenschaften sind Schwefel und Asche (Gehalt und Chemie) von besonderer Bedeutung, da mit deren Anstieg die Koksproduktivität im Hochofen abnimmt. Die Koksasche ist ein unproduktiver Teil des BF-Kokses, der Schlackenvolumen und -zusammensetzung beeinflusst.

Die Bedeutung der physikalischen Eigenschaften des BF-Kokses ist mit der Notwendigkeit verbunden, die eisenhaltige Last zu tragen und eine permeable Matrix bereitzustellen, durch die Reduktionsgase strömen und flüssiges Material im unteren Hochofenbereich durchsickern kann. Diese physikalischen Eigenschaften beziehen sich auf seine Größe (Mittelwert und Verteilung) und seine Beständigkeit gegen Bruch und Abrieb. Die BF-Koksgröße wird hauptsächlich durch Siebung kontrolliert. Eine große mittlere Größe mit enger Größenverteilung erhält angemessene Permeabilität.

Obwohl die mechanischen Festigkeitsindizes des BF-Kokses den BF-Betreibern eine nützliche Bewertung der Koksleistung liefern, bilden sie nur einen Teil des Gesamtbildes. Die Tests zur Bewertung der mechanischen Festigkeit des BF-Kokses werden bei Umgebungstemperatur durchgeführt und berücksichtigen daher nicht die Prozessbedingungen des Kokses im Hochofen. Deshalb liefern Tests wie CSR (Koksfestigkeit nach Reaktion) und CRI (Koksreaktivitätsindex) für BF-Koks bessere Festigkeitsindizes.

BF-Koks degradiert während seines Abstiegs durch den BF. Degradation wird verursacht durch mechanische Belastung, Abrieb, thermische Spannung, Vergasungsreaktionen, anorganische Verbindungen in BF-Gasen und Graphitisierung. Mineralische Bestandteile im BF-Koks spielen eine große Rolle bei Charakter und Ausmaß dieser Degradationspfade, sowohl direkt als auch indirekt.

Der Roheisenprozess in einem Hochofen besteht aus einem multivariaten System, das einer großen Anzahl an sich gegenseitig beeinflussender Variablen unterliegt, die den BF-Koksverbrauch im Hochofen beeinflussen. Es ist notwendig, den gegenseitigen Einfluss der Variablen zu isolieren, um die Rolle jeder Variable auf den Koksatz während der Roheisenerzeugung im Hochofen zu verstehen.

Ein effizienter Hochofen arbeitet mit niedrigem Koksatz. Ein effizienter Hochofenbetrieb erfordert eine Erhöhung des Gasdurchsatzes, was eine Verbesserung der Ofenpermeabilität impliziert, und andererseits eine Verringerung des spezifischen Gasbedarfs, was eine Verringerung des spezifischen BF-Koksverbrauchs bedeutet. Es gibt viele Faktoren, die den BF-Koksatz im Hochofen beeinflussen. Die wichtigsten werden im Folgenden beschrieben.

• Brennstoff/Reduktionsmittel – Zwei Arten von Brennstoffen/Reduktionsmitteln werden im Hochofen verwendet: BF-Koks, der von oben aufgeladen wird, und Pulverkohle/Erdgas/Kokereigas/Öl/Kohlenteer, die auf Tuyere-Ebene eingespritzt werden.

1. Während der Roheisenproduktion im Hochofen wird der BF-Koksatz in vielerlei Hinsicht beeinflusst. Hoher Aschegehalt im BF-Koks bedeutet, den Hochofen mit mehr schlackenbildendem Material zu beschicken, das zur Schlackenbildung geflusst werden muss. Dies führt zu höheren Schlackenvolumen. Als Faustregel führt 1 % Reduktion des Aschegehalts im BF-Koks zu einer Verringerung des Koksatzes um 1 % bis 1,5 %. Andere Eigenschaften des BF-Kokses, die den Koksatz beeinflussen, sind CSR, CRI und Mikum-Indizes (M40 oder I40 und M10 oder I10). Diese Parameter beeinflussen die Permeabilität im Schacht und die mechanische Festigkeit des Kokses auf Tuyere-Ebene. M40 steht für die Zerkleinerbarkeit des Kokses und M10 für die Abriebbarkeit. Höhere CSR- und M40-Werte sowie niedrigere CRI- und M10-Werte führen zu einer Verbesserung des niedrigeren Koksatzes. Der Schwefelgehalt des BF-Kokses beeinflusst ebenfalls den BF-Koksatz. Eine Verringerung des Schwefelgehalts des BF-Kokses um 0,1 % verbessert die BF-Produktivität um ca. 1,0 %.
2. Brennstoff (Pulverkohle/Erdgas/Kokereigas/Öl/Kohlenteer), der auf Tuyere-Ebene eingespritzt wird, wird normalerweise von einer Sauerstoffanreicherung der Heißluftblasung begleitet. Die Einspritzung von Sauerstoff in die Blaseluft reduziert den spezifischen Gasstrom, was eine Senkung der Obergastemperatur und einen Anstieg der adiabatischen Flammentemperatur (RAFT) in den Tuyeren bewirkt. Diese Effekte werden durch die Einspritzung von Ersatzbrennstoff kompensiert. Somit verringert eine kombinierte Einspritzung von Sauerstoff und Brennstoff auf Tuyere-Ebene den Koksatz im Hochofen. Eine Tonne Pulverkohleeinspritzung ersetzt ca. 0,9 bis 1,0 Tonne BF-Koks. Eine ähnliche Reduktion des BF-Koksatzes tritt bei anderen Brennstoffeinspritzungen auf. Reine Sauerstoffeinspritzung allein reduziert den BF-Koksatz nicht, verbessert aber die BF-Produktivität.

• Rohmaterialien – Es gibt grundsätzlich zwei Haupttypen von Rohmaterialien, die in einen Hochofen eingebracht werden.

1. Der erste sind eisenhaltige Materialien: Sinter, Pellets und kalibriertes Eisenerz (CLO). Höherer Eisengehalt (Fe) in diesen Materialien bedeutet, dass weniger Gangmaterial in den Ofen gelangt, das für die Schlackenbildung geflusst werden muss. Höherer Fe-Gehalt hilft bei der Reduktion von Schlackenvolumen und Koksatz. Als Faustregel reduziert 1 % Erhöhung des Fe-Gehalts den Koksatz um 0,8 % bis 1,2 %.
2. Das zweite Rohmaterial sind verschiedene Flussmittel (Kalkstein, Dolomit, Quarzit etc.). Kalkstein und Dolomit, die in den Hochofen eingebracht werden, werden im Hochofen kalziniert. Diese Kalzinierungsreaktion benötigt Wärme, was zu erhöhtem Koksverbrauch führt. Wenn diese Flussmittel über Sinter oder Pellets eingebracht werden, findet die Kalzinierungsreaktion außerhalb des Hochofens statt, und der Hochofenarbeitsraum wird effektiver von den eisenhaltigen Materialien genutzt. Dies reduziert wiederum den BF-Koksatz. Generell verbessert eine Reduktion von 100 kg Flussmittel in der Beschickung den Koksatz um 20 bis 35 kg/tHM.
3. Für niedrigen Koksatz im Hochofen ist es essenziell, dass Beschickungsmaterialien hohe Permeabilität und Homogenität über alle Ofentemperatur- und Reaktionszonen bieten. Zudem müssen Beschickungsmaterialien hohe Reduzierbarkeit aufweisen, um kurze Verweilzeiten zu fördern. Beschickungsmaterialien sollen auch niedrige Gehalte an Begleitelementen wie Zink, Blei und Alkali haben, um Prozessstörungen zu vermeiden.
4. Der Koksatz hängt auch von der Sinterqualität ab. Sinter soll optimale Korngrößenverteilung, hohe Festigkeit, hohe Reduzierbarkeit, hohe Porosität, Erweichungstemperaturen über 1250 °C, konstanten FeO-Gehalt im Bereich 7 % bis 8 % und konstante Basizität aufweisen.

• Kontrolle der Beschickungsverteilung spielt eine wichtige Rolle bei der Reduktion des Koksatzes im Hochofen. Die Beschickungsverteilungssteuerung gewährleistet einen stabilen Beschickungsabstieg, regelt den Gasfluss an der Wand (vermeidet hohe Wärmelasten ohne Erzeugung inaktiver Zonen) und hilft, einen guten Feststoff-Gas-Kontakt zu erreichen.
• Verringerung des Siliziumgehalts im Roheisen hat einen positiven Effekt auf den Koksatz. Die Siliziumgehaltsverringerung wird durch bessere Erz-Koks-Beziehung und Abwärtsbewegung der kohäsiven Zone erreicht. Dies erzeugt ein geringeres Volumen für den Siliziumtransfer zum Roheisen. Eine Verringerung des Siliziumgehalts im Roheisen um 1 % verbessert den Koksatz um 5 % bis 15 %.
• Schlackeneigenschaften haben erheblichen Einfluss auf den Koksatz. Niedrigeres spezifisches Schlackenvolumen bei geringerer Viskosität verbessert den Koksatz des Hochofens.
• Abstichpraxis hat ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Koksatzreduzierung im Hochofen. Gute Abstichpraxis beinhaltet gute Abstichlänge, rechtzeitiges Öffnen des Abstichs, Kontrolle der Abstichgeschwindigkeit, ordnungsgemäße Herdentwässerung und Schließen des Abstichs nach Trockenfallen des Ofens. Die Qualität der Abstichmasse ist sehr wichtig für gute Abstichpraxis.
• Automatische Prozesssteuerung verbessert die Ofenproduktivität, da sie den Reduktionsmittelverbrauch minimiert, Ofenprozessstörungen wie Hängen, Abrutschen, Gerüstbildung, Gaskanalisierung etc. durch sofortige Gegenmaßnahmen des Systems vermeidet, Roheisen- und Schlackenparameter stabilisiert etc. Der Effekt der automatischen Prozesssteuerung auf den BF-Koksatz liegt im Bereich von 3 % bis 5 %.
• Blasttemperatur ist ein weiterer Parameter, der den Koksatz im Hochofen beeinflusst. Der BF-Koksatz verringert sich um ca. 2 % bei Erhöhung der Blasttemperatur um 100 °C.
• Hoher Obergasdruck reduziert ebenfalls den Koksatz im Hochofen. Mit jeder Erhöhung des Obergasdrucks um 0,1 kg/cm² verringert sich der Koksatz um ca. 0,1 %.
• Verringerung des Feinanteils in den Beschickungsmaterialien verbessert den Koksatz des Hochofens im Bereich von 0,4 % bis 0,7 %.