Optimierung der Kohleverkokung für hochwertigen Metallurgiekoks

Verkokung von Kohle zur Metallurgiekoks-Produktion

Die Verkokung von Kohle wird auch als Koksung von Kohle bezeichnet. Der Prozess besteht in der thermischen Zersetzung von Kohlen entweder in Abwesenheit von Luft oder in kontrollierter Atmosphäre, um einen kohlenstoffhaltigen Rückstand zu erzeugen, der als Koks bekannt ist.

Temperaturbereiche der Verkokung

Die Verkokung von Kohle kann in den folgenden drei Temperaturbereichen durchgeführt werden:

• Niedertemperaturverkokung wird normalerweise im Temperaturbereich von 500 °C bis 700 °C durchgeführt. Bei dieser Art der Verkokung sind die Ausbeuten an flüssigen Produkten höher und die gasförmigen Produktausbeuten niedriger. Der produzierte Koks hat höheren flüchtigen Anteil und ist freibrennend.
• Mitteltemperaturverkokung wird bei einem Temperaturbereich von etwa 800 °C durchgeführt. Diese Verkokung produziert rauchlosen weichen Koks. Nebenprodukte sind in ihren Charakteristika der Hochtemperaturverkokung ähnlich. Mitteltemperaturverkokung wird heutzutage selten praktiziert.
• Hochtemperaturverkokung wird bei einer Temperatur durchgeführt, die über 900 °C liegt. Diese Verkokung gibt höhere Ausbeuten an gasförmigen Produkten und niedrigere Ausbeuten an flüssigen Produkten. Diese Verkokung produziert harten Koks und wird normalerweise für die Produktion von Metallurgiekoks aus koksfähigen Kohlen eingesetzt.

Prozess der Kohleverkokung

Die Kohle-zu-Koks-Umwandlung findet statt, während die Kohle erhitzt wird. Wenn der Schmelzzustand erreicht ist, erweicht und verschmilzt die Schicht der erhitzten Kohle. Von etwa 375 °C bis 475 °C zersetzt sich die Kohle und bildet eine plastische Schicht. Destruktive Destillationsreaktionen verlaufen schnell in der plastischen Schicht mit Entwicklung flüchtiger Produkte. Bei etwa 475 °C bis 600 °C gibt es eine markante Entwicklung von Teer und aromatischen Kohlenwasserstoffverbindungen. Gas und kondensierbarer Dampf werden in der plastischen Masse eingeschlossen und neigen dazu, diese zum Schwellen zu bringen, während sie sich ausdehnen. Während die Reaktionen fortschreiten und die Temperatur der verschmolzenen Zone zunimmt, nimmt die Plastizität der Kohle ab. Mit fortgesetzter Erhitzung und Entwicklung des Gases verfestigt sich die verschmolzene Schicht allmählich zu Halbbkoks mit typischer zellulärer Koksstruktur. Der Koks in diesem Stadium enthält noch erhebliche flüchtige Anteile. Wenn die Temperatur weiter über 600 °C ansteigt, setzt sich die destruktive Destillationsreaktion mit Entwicklung von Gas und wenig Teer fort. Die Koksstabilisierung findet statt, während die Temperatur von 600 °C auf 1100 °C ansteigt. Dies ist gekennzeichnet durch Kontraktion der Koksmasse, strukturelle Entwicklung des Koks und endgültige Wasserstoffentwicklung. In diesem Stadium finden die endgültigen Reaktionen statt. Diese Reaktionen spalten Wasserstoff von extrem komplexen, hochmolekularen Kohlenwasserstoffen ab. Mit steigender Temperatur schrumpft die Koksmasse mit der Entwicklung von Schrumpfungsrissen.

Der Verkoksungsmechanismus

Wenn koksfähige Kohlen verkokt werden, wird zuerst die plastische Masse des optisch isotropen Materials gebildet, und danach allmählich lamellare nematische Flüssigkristalle. Diese polymere Phase wird als Mesophase bezeichnet. Dies ist die Zwischenphase zwischen dem isotropen flüssigen Kohle und dem festen anisotropen Halbbkoks, der letztlich aus der Mesophase gebildet wird, und hat Eigenschaften, die zwischen Feststoffen und Flüssigkeiten liegen. Wenn die Flüssigkeit der Zwischenphase recht hoch ist, koalesziert die Mesophase sofort zu einer einzelnen größeren Einheit. Über einen Bereich steigender Temperaturen wird die Mesophase kontinuierlich gebildet, wächst in der Größe und berührt sich schließlich. Somit kann die Mesophase erstarren und von der koksfähigen Kohle in die optisch anisotrope Textur des Koks umgewandelt werden.

Geschichte der koksfähigen Kohlen

Koks wurde im alten China gemäß historischen Quellen aus dem vierten Jahrhundert hergestellt. Die Chinesen verwendeten Koks erstmals zum Heizen und Kochen spätestens im neunten Jahrhundert. 1709 wurde in Großbritannien ein koksbefeuerter Hochofen zur Produktion von Gusseisen etabliert. Während des frühen 18. Jahrhunderts wurde Koks durch Verbrennen von Kohle in Haufen auf dem Boden so hergestellt, dass nur die äußere Schicht brannte, wodurch das Innere des Haufens in einem verkokten Zustand blieb.

Der „Herd“-Prozess der Koksherstellung, der Stückkohle verwendete, wurde in vielen Gebieten während der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts fortgesetzt. Dieser Prozess war ähnlich dem Holzkohlenbrennen, aber mit einem Haufen Kohle, der mit Koksstaub bedeckt war, statt eines Haufens vorbereitetem Holz, bedeckt mit Zweigen, Blättern und Erde.

Dies führte anschließend zur Entwicklung von Bienenkorböfen verschiedener Formen und Größen, um den steigenden Bedarf an hartem Koks für die Eisenverhüttung zu decken.

Bienenkorböfen

Ein Bienenkorb-Ofen ist eine einfache Feuerziegelkammer mit einem gewölbten Dach, sodass die Form im Inneren der eines altmodischen Bienenkorbs entspricht. Seine Abmessungen betragen typischerweise 4 m in der Breite und 2,5 m in der Höhe. Bienenkorböfen werden normalerweise in Reihen gebaut, ein Ofen neben dem anderen mit gemeinsamen Wänden zwischen benachbarten Öfen. Eine solche Reihe von Öfen wird als Batterie bezeichnet. Eine Batterie besteht normalerweise aus vielen Öfen, manchmal hunderten, in einer Reihe. Ein typischer Querschnitt eines Bienenkorb-Ofens ist in Abb. 1 dargestellt.

Abb. 1 Typischer Querschnitt eines Bienenkorb-Ofens

Schienen für die Kohleförderung zu den Öfen verliefen entlang der Dächer; und andere Schienen für die Koksförderung verliefen neben den Öfen. Das Dach hat ein Loch für das Beschicken der Kohle oder anderer Anzündmaterialien von oben. Der Austragsöffnung ist im Umfang des unteren Teils der Wand vorgesehen.

Kohle wird durch das Loch am Scheitelpunkt der Kuppel in einen leeren Ofen geladen. Sie bildet einen kegelförmigen Haufen, der mit einem Rechen, der durch die Tür geführt wird, auf eine gleichmäßige Schicht von etwa 600 mm bis 900 mm Tiefe nivelliert wird.

Der Verkokungsprozess wird durch die in den Ofenwänden vom vorherigen Kohleladung gespeicherte Wärme gestartet. Fast unmittelbar nach dem Beschicken wird Gas, bestehend aus flüchtigen Bestandteilen, aus der Kohle produziert. Die Luft für die Verbrennung wird durch eine Öffnung an der Oberseite der Ofentür oder durch eine Seitentür zugeführt. Der Start der Verkokung produziert flüchtige Stoffe, die im teilweise geschlossenen Seitentür verbrannt werden. Die Verkokung verläuft von oben nach unten. Wärme wird durch das Verbrennen der flüchtigen Stoffe zugeführt, sodass keine Nebenprodukte zurückgewonnen werden. Die Abgase dürfen in die Atmosphäre entweichen.

Die Kokzeit, die weitgehend von der Tiefe der Kohleschicht abhängt, reicht von 48 bis 72 Stunden. Während die Verkokung fortschreitet, nimmt das Volumen des entwickelten Gases ab, und die Größe der Öffnung in der Tür wird entsprechend verringert oder durch Einführen von Ziegeln an der oberen Öffnung. Dies regelt die Luftmenge und verhindert den Eintritt eines übermäßigen Luftvolumens, das andernfalls einen Teil des Koks verbrennen und ausreichend sein könnte, den Ofen auch abzukühlen.

Der heiße Koks wird mit Wasser gelöscht und manuell durch die Seitentür ausgetragen. Wenn die Verkokung abgeschlossen ist, wird die Tür geöffnet und der weißglühende Koks durch einen Wasserstrom, der durch die Öffnung geleitet wird, gelöscht. Der gelöschte Koks wird dann manuell aus dem Ofen gerecht und in Zugwagen für den Transport verladen. Die Wände und das Dach behalten genug Wärme, um die Verkokung der nächsten Ladung zu initiieren.

Wenn Kohle in einem Kokssofen verbrannt wird, akkumulieren die Verunreinigungen der Kohle, die nicht bereits als Gase abgeführt wurden, zu Schlacke, die effektiv eine Konglomeration der entfernten Verunreinigungen ist. Da es nicht das gewünschte Koksprodukt ist, wird Schlacke entweder verworfen oder als Zutat in der Ziegelherstellung, im Mischzement und sogar als Dünger verwendet.

Neue Öfen werden durch Heizen mit Kohle oder Holz vor dem Beschicken auf Temperatur gebracht.

Die Bienenkorbverkokung ist heute ein veraltetes Verfahren wegen der geringen Menge, die es produzierte, und der sehr großen Menge an Verschmutzung, die es erzeugte. Allerdings wird es noch immer verwendet.

Nebenprodukt-Kokssofenbatterien

Der größte Teil der globalen Koksproduktion stammt aus diesen Batterien. Kohle in diesen Batterien wird in Abwesenheit von Luft verkokt und diese Batterien werden mit positivem Druck in den Öfen betrieben. Der Koksherstellungsprozess in diesen Kokssofenbatterien wird als Nebenprodukt-Koksherstellung bezeichnet, da das Abgas gesammelt und zur Nebenproduktanlage geschickt wird, wo verschiedene Nebenprodukte zurückgewonnen werden. Die meisten Nebenprodukt-Kokssofenbatterien sind in ein Eisen- und Stahlwerk integriert zum Zweck des Kokssofengases.

Details zur Koksherstellung in Nebenprodukt-Kokssofenbatterien und Kokssofen-Nebenproduktanlagen sind in separaten Artikeln unter den Links https://www.ispatguru.com/coke-making-in-byproduct-coke-oven-batteries/ und https://www.ispatguru.com/coke-oven-by-product-plant/ beschrieben.

Nicht-Rückgewinnungs-Kokssofenbatterien

In Nicht-Rückgewinnungs-Kokssofenbatterien wird die Kohle in großen Ofenkammern verkokt. Der Verkokungsprozess findet von oben durch Strahlungswärmeübergang und von unten durch Wärmeleitung durch den Sohlenboden statt. Primärluft für die Verbrennung wird durch mehrere Öffnungen, die sich über dem Beladungsniveau in sowohl Schieber- als auch Koksseitentüren des Ofens befinden, in die Ofenkammer eingeführt. Teilweise verbrannte Gase verlassen die obere Kammer durch „Downcomer“-Passagen in der Ofenwand und treten in den Sohlenkanal ein, wodurch die Sohle des Ofens beheizt wird. Verbrannte Gase sammeln sich in einem gemeinsamen Tunnel und verlassen ihn über einen Schornstein, der einen natürlichen Zug im Ofen erzeugt. Da die Nebenprodukte nicht zurückgewonnen werden, wird der Prozess als Nicht-Rückgewinnungs-Koksherstellung bezeichnet. In diesen Batterien verlässt das Abgas meist einen Abhitzekessel, der die überschüssige Wärme in Dampf für die Stromerzeugung umwandelt, weshalb dieser Prozess auch als Wärmerückgewinnungs-Koksherstellung bezeichnet wird. Details zur Koksherstellung in Nicht-Rückgewinnungs-Kokssofenbatterien sind in einem separaten Artikel unter dem Link https://www.ispatguru.com/non-recovery-coke-ovens-battery/ beschrieben.