Optimierung der Kohlemischung für effiziente Koksproduktion

Auswahl von Kohle für die Kohlemischung in der Kokerei

Kohlenmischung ist aus ökonomischer Sicht notwendig: Reduzierung des Anteils teurer, hochwertiger (Prime/Hart-) Koks- kohlen durch Ersatz mit mittleren oder weichen Kokskohlen. In manchen Kokereien werden sogar kleine Anteile nichtkokender oder Dampfkohlen beigemischt.

Die Auswahl einer geeigneten Kohlemischung für By-Product-Koksofen ist immer eine große Herausforderung für den Kokshersteller, da die Mischung folgende Anforderungen erfüllen muss:

• Anforderungen an die Zerkleinerung bei der Kohlevorbereitung: Keine Komponente über- oder unterzerkleinert. Die klassierte Kohlemischung für die Ofenbeschickung muss Dichte, Fließeigenschaften und Korngrößenspektrum erfüllen.
• Notwendige Kokungs- und Backeigenschaften für Koksqualität, die Hochofenanforderungen (BF-Koks) genügt. Drei Grundanforderungen an BF-Koks: (i) Wärme für endotherme Reaktionen im Hochofen, (ii) Reduktionsmittel durch Erzeugung notwendiger Reduktionsgase, (iii) durchlässige Stütze im Hochofen für eisenhaltige Beschickung.
• Sicheres Ausstoßen (Pushing) in den Koksofen: keine übermäßige Wanddruckbelastung während des Kokens, die Wände beschädigt.
• Erfüllung der Ausbeuteanforderungen an BF-Koks und Koksofengas. Keine übermäßige Nusskoks- und Koksbreeze-Produktion.
• Wirtschaftlichkeit.

Angesichts dieser vielfältigen Anforderungen werden Entscheidungen über Kohlemischungen nicht ad hoc, sondern nach sorgfältiger Abwägung getroffen. Tatsächlich muss die Kohlemischung so gestaltet werden, dass ein Ausgleich zwischen konkurrierenden Anforderungen wie Durchsatz, hohe Qualität, Kosteneffizienz unter Berücksichtigung der Batterielebensdauer erreicht wird.

Fokus der Kohlemischungsgestaltung

Mit den obigen Anforderungen im Blick müssen die Gestaltungsbemühungen fokussiert sein auf (Abb. 1):

• Erfüllung der Koks-Physikalischen Eigenschaften
• Erfüllung der Koks-Chemischen Eigenschaften
• Erfüllung der Koksofen-Ausstoßleistung
• Maximale Nutzung niedrigwertiger Kohlenstoffmaterialien (weiche Kohlen)
• Erfüllung ökonomischer Anforderungen
• Sicherstellung kontinuierlicher Verfügbarkeit der Kohlenfraktionen (Vermeidung häufiger Mischungsänderungen)

Abb. 1 Anforderungen an die Kohlemischungsgestaltung

Vorgehensweise bei der Kohlemischungsgestaltung

Normalerweise erfolgt die Gestaltung in einer Reihe von Schritten, die auch für die Aufnahme neuer Kohlen in die Mischung erforderlich sind:

1. Qualitätsprüfung anhand der Lieferantendatenblätter. Beurteilung der Eignung für die Mischung. Kosten und langfristige Verfügbarkeit ermitteln. Bei vorläufiger Zufriedenheit: Anforderung einer 5 kg Probe.
2. Laboruntersuchungen an der 5 kg Probe zur Bestimmung der Kohlequalitäten und Abgleich mit Lieferantendaten. Testergebnisse bestimmen den maximal möglichen Anteil in der Mischung. Vorläufige wirtschaftliche Bewertung. Bei positivem Ergebnis: Bestellung ausreichender Menge für Pilotofen-Verkokungstests.
3. Pilotofen-Verkokungstests (i) an 100 % neuer Kohle, (ii) an der Mischung mit geplantem Anteil der neuen Kohle. Dabei auch Kontraktions- und Gasdrucktests. Bei Erfolg: Einsatz im geplanten Anteil in der Mischung für Werksversuche. Während der Werksversuche enge Überwachung aller Parameter.
4. Regelmäßige Übernahme in die Mischung nach erfolgreichen Werksversuchen.

Die finale Auswahl berücksichtigt zusätzlich Preis, Anforderungen der Kohlevorbereitungsanlage und Qualitätskontrolle bei der Beschaffung.

Zu berücksichtigende Kohleeigenschaften

Kohlemischung für physikalische Kokseigenschaften

Wichtige physikalische Koksqualitäten für stabilen Hochofenbetrieb: (i) CRI (Coke Reactivity Index), (ii) CSR (Coke Strength after Reaction), (iii) Micum-Index.

• CRI – misst Widerstand gegen Bruch bei Raumtemperatur, spiegelt Koksverhalten außerhalb und im oberen Hochofenbereich wider.
• CSR – gibt Festigkeit nach Exposition gegenüber reduzierender Hochofenatmosphäre an. Misst Potenzial, unter hochtemperiertem CO/CO₂-Umfeld (untere zwei Drittel des Hochofens) in kleinere Stücke zu zerbrechen.
• Micum-Index – Trommeltest, zeigt Koksfestigkeit bei Raumtemperatur. Hohe M40-Werte (% Koks auf +40 mm Rundloch nach 100 Umdrehungen) und niedrige M10-Werte (-10 mm) deuten auf höhere Festigkeit hin.

Petrographische Analyse der Kohle ist Hauptinstrument zur Vorhersage der Koksfestigkeit. Wichtige Kohleeigenschaften:

• Tiegelquellzahl (CSN) – Bereich in Kokskohlen: 3 (min) bis 6 (max). Prime-Kokskohlen: höhere CSN; weiche Kokskohlen: niedrigere CSN.
• Maximale Dilatation – Min. 55 %. Hängt von Dilatation der Mischungskomponenten ab.
• Maximale Fluidität – Min. 600 ddpm in Kokskohlen. Höhere Fluidität → bessere Fließfähigkeit in Koksofen.
• Gray-King-Kokstyp – Min. G5 in Kokskohlen. Für weiche Kokskohlen: G min.
• Mittlere Maximale Reflexion (MMR) – Bereich 0,85–1,35 %. Weiche Kokskohlen: niedrigere MMR; harte: höhere MMR.
• Vitrinit – Min. 50 % in Kokskohlen. Weiche: 45 %.
• Vitrinitverteilung (V9–V14) – Min. 70 % in Kokskohlen.

Kohlemischung für Koksgröße

Die as-formed Koksgröße wird durch den Inertstoffanteil in der Mischung beeinflusst. Mit abnehmendem Inertanteil nimmt Koksgröße ab. Kohletyp beeinflusst Koksgröße. In der Praxis wird Koksgröße für Hochofen meist durch Siebung kontrolliert.

Kohlemischung für Koks- und Koksofengasausbeute

Koksausbeute im Koksofen ist umgekehrt proportional zum flüchtigen Anteil der Kohle. Der Flüchtigenbereich ist auch wichtig für hochfesten Koks. Flüchtige beeinflussen auch Koksofengasausbeute – oft wichtiger Parameter für Gasbilanz im Stahlwerk.

Kohlemischung für chemische Kokseigenschaften

Mit physikalisch stabilem Rohstoffbasis wird weiterer Prozess durch chemische Eigenschaften gesteuert. Wichtigste: Feuchte, Fixkohlenstoff, Asche, Schwefel, Phosphor, Alkalien. Meist abhängig von eingesetzten Kohlen. Koksasche, Schwefel, Alkalien wirken negativ auf CSR. Phosphor wirkt positiv auf CSR, ist aber unerwünscht (geht vollständig ins Roheisen). Für hochwertigen Koks mit hoher Ausbeute: niedrige Feuchte, Asche, Schwefel, Alkalien, Phosphor; hoher Fixkohlenstoff. Ascheverschmelzungstemperatur wichtig für Kokprozess – muss über Koktemperatur liegen.

Kohlemischung für Koksofen-Ausstoßleistung

Maximaler Kokdruck darf 0,14 kg/cm² nicht überschreiten. Von allen inhärenten Kohleeigenschaften sind Rang und Inertgehalt primär für Kokdruck an Ofenwänden wichtig. Rang hat direkten Bezug zum Kokdruck. Niedrigflüchtige Kohlen erzeugen übermäßigen Kokdruck, tragen aber zu hoher Koksfestigkeit und -ausbeute bei.

Kohlen ähnlichen Rangs mit hohem Inertinitgehalt erzeugen niedrigeren Druck. Australische niedrigflüchtige Kohlen erzeugen generell niedrigen Wanddruck und werden beigemischt, um Kokdruck zu senken. Da Wanddruck in kommerziellem Ofen schwer messbar, werden Pilotofen-Wanddruck und Gasdruck mit kommerziellen Gasdruckmessungen korreliert. Nach Etablierung der Korrelation: kommerzielle Gasdruckmessungen zur Überwachung des Kokdrucks. Gasdruck steigt mit Rang, sinkt mit Inertinitgehalt.

Kohlenkontraktion tritt in zwei Phasen auf: (1) während Plastischschichtbildung – hauptsächlich von Kohleeigenschaften abhängig; (2) nach Umwandlung in Halbkoks, während Schwindung des Halbkoks – hauptsächlich von Betriebsbedingungen abhängig. Maximale Fluiditätswerte prognostizieren erste Phase der lateralen Kontraktion. Vertikale Schwindung hängt von Betriebsparametern (Koktemperatur, Heizrate) ab.

Kohlemischung zur Maximierung niedrigwertiger Kohlenstoffmaterialien

Zur Kostensenkung bei Erhalt der Koksqualität werden niedrigwertige Kohlenstoffmaterialien in variierenden Mengen beigemischt: Weichkohlen, Kohlenfeinanteile, Koksbreeze, Kohlenteer, Petrolkoks, Asphaltene (Destillationsrückstände), nichtkokende Kohlen. Positiver Effekt auf Koksqualität und Kokprozess, wenn richtige Menge und passende Mischung. Resultate: niedrigere Kosten, besserer Betrieb, Ressourcenschonung.

Oxidierte (verwitterte) Kohlen zählen auch als niedrigwertig: Oxidation senkt generell CSR, Stabilität, Koksgröße, Koksausbeute, verschlechtert Quell- und Wanddruckeigenschaften. CSR empfindlichste Größe; CSR-Abfall größer bei niedrigsten Rängen. Einsatz oxidierter Kohlen minimieren.

Kohlemischung zur Erfüllung ökonomischer Anforderungen

Technologische Bewertung der Mischung muss durch wirtschaftliche Bewertung der Nutzungs-kosten des erzeugten Koks ergänzt werden. Eine Kohle mit niedrigem Tonnenpreis ist nicht unbedingt ökonomisch, wenn der daraus erzeugte Koks und seine Verwendung im Hochofen integriert betrachtet werden. Kohlequalität kann Koksausbeute in der Koksofenbatterie und BF-Koksverbrauch im Hochofen nachteilig beeinflussen, auch Hochofenproduktivität. Daher muss Kohlemischungsgestaltung sicherstellen, dass sie am Verwendungsort (Hochofen) letztlich ökonomisch ist, nicht nur an der Kokerei. Die Mischung, die Koks mit höchstem potenziellem Kosteneinsparpotenzial im Hochofen erzeugt, wird normalerweise für die Umsetzung in der Kokerei gewählt.

Kohlemischung mit Sicherstellung kontinuierlicher Verfügbarkeit

Um häufige Mischungsänderungen zu vermeiden, sind Kohlen, die nicht langfristig verfügbar sind, von der Aufnahme in die Mischung auszuschließen.

Das beschriebene Verfahren zur Kohleauswahl für die Kohlemischung in der Koksherstellung zeigt die Notwendigkeit, einen Ausgleich zwischen Durchsatz, hoher Koksqualität, Batterielebensdauer, Kosteneffizienz, Gesamtökonomie und gesicherter, konsistenter Kohlenversorgung zu erreichen.