DE102005015243A1

DE102005015243A1 - Kühlersystem und Verfahren zum Wiederaufheizen von abgekühlten Gasen

Info

Publication number: DE102005015243A1
Application number: DE200510015243
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Strunk
Original assignee: RAG AG
Current assignee: RAG AG
Priority date: 2005-04-02
Filing date: 2005-04-02
Publication date: 2006-10-05

Abstract

Ein Kühlsystem für Gase besteht aus einer Kühlereinheit mit bereits abgekühltem Gas als Kühlmittel und einer nachgeschalteten Kühlereinheit mit Kühlflüssigkeit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlersystem für Gase, insbesondere Koksofengase, das aus einer Kühlereinheit mit bereits abgekühltem Gas als Kühlmittel und einer nachgeschalteten Kühlereinheit mit Kühlflüssigkeit besteht. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Abkühlung von Gasen und ihre Wiederaufheizung unter Verwendung des Kühlersystems.

Bei der Verkokung von Steinkohle in Kokereien fällt Koksofengas an. Das Koksofengas besteht im wesentlichen aus aliphatischen, zyklischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen und enthält als Nebenprodukte und Rückstände beispielsweise auch Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Schwefel, und/oder Phosphor enthaltende Verbindungen, Ammoniak und Naphthalin.

Direkt hinter den Koksöfen wird das Rohgas mit Temperaturen im Bereich von 750 °C bis 900 °C auf Temperaturen im Bereich von 80 °C bis 100 °C durch direkte Wassereinspritzung gequenscht. Dabei fallen die kondensierbaren Bestandteile (z. B. Teer) des Rohgases aus und sammeln sich mit Wasser in einer Vorlage. Von hier aus strömt über eine Stichleitung und die Rohgassammelleitung ein Wasser-Teergemisch und das Koksofengas zu den Gasbehandlungsanlagen. Das Wasser-Teergemisch (in der Technik auch „Dünnteer" genannt) wird aus der Leitung abgezogen und der Teerscheidung zugeführt. In einem besonderen Kühlersystem für Koksofengase (auch Vorkühler genannt) wird das Koksofengas auf etwa 25 °C weiter abgekühlt. Auch hierbei fallen teerige Kondensate an, die alle in die Teerscheidung geleitet werden (Farrenkopf, „Koks, Die Geschichte eines Wertstoffes, 177 (2003).

Die Vorkühler sind üblicherweise Querrohr-Gaskühler, in denen das Koksofengas von oben nach unten strömt. Durch die Kühlaggregate strömt im Kreislauf Wasser zum Kühlen, dem gegebenenfalls sehr kaltes Wasser zugesetzt wird.

Bei dem Betreiben der Gasbehandlungsanlagen einer Kokerei ist es wichtig, dass die niedrigste Gastemperatur am Vorkühleraustritt erscheint und das Gas auf dem weiteren Weg nicht weiter abgekühlt wird. Bei einer weiteren Abkühlung würden im Koksofengas enthaltene Nebenprodukte wie Naphthalin, das in einer der jeweiligen Temperatur entsprechenden Gleichgewichtsbeladung im Gas enthalten ist, ausfallen und sich in den Leitungen an Armaturen, Reglerorganen usw. festsetzen. Solche Festsetzungen bilden harte Anbackungen und führen zu Störungen des Betriebes, da die Leitungen vollständig „zuwachsen" können.

Den Vorkühlern folgen weitere Gasbehandlungsstufen, wie z.B. Gebläse, Wascher und Teerfilter. Durch Steuerung dieser Verfahrensabläufe, z.B. die Einstellung der richtigen Waschflüssigkeitstemperatur, kann man eine weitere Abkühlung des Gases verhindern. Nach der Gasbehandlung kann das Gas einer weiteren Verwendung zugeführt werden, z.B. in Kraftwerken oder zur Feuerung im Kesselhaus, als Unterteuerung der Koksofenbatterien oder nach einer Hochdruckgasreinigung in einem öffentlichen Gasversorgungssystem. Auf dem Wege dieser Weiterleitung des Gases müssen Ablagerungen vermieden werden. Am besten gelingt das, wenn das Gas durch Zuführung von zusätzlicher Energie bis über den Kondensationspunkt der Nebenprodukte wieder aufgeheizt wird, da durch das Aufheizen sich die Gleichgewichtsbeladung der Nebenprodukte, wie Naphthalin, zur Gasphase verschiebt.

So ist es möglich das Koksofengas z.B. am letzten Wascheraustritt durch Zuführung zusätzlicher Energie wieder zu erwärmen, so dass sichergestellt ist, dass auch bei langem Leitungsweg die Gastemperatur nicht unter die Temperatur der Gleichgewichtsbeladung oder den Kondensationspunkt der Nebenprodukte fällt. Eine solche Vorgehensweise ist jedoch energetisch ungünstig und kostspielig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Kühl- und Wiederaufheizungssystems für Gase, im besonderen Koksofengas, bei dem einmal das Gas gekühlt und kondensierbare Nebenprodukte weitgehend abgetrennt und dann das Gas über den Kondensationspunkt der Nebenprodukte im besonderen im Hinblick auf eine weiterführende Verwendung des Gases erwärmt wird. Am bevorzugten Beispiel des Koksofengases soll das Gas so tief abgekühlt werden, dass Nebenprodukte, wie teerige Kondensate, weitgehend abgetrennt werden, aber ein weiteres Abkühlen unter den Kondensationspunkt der Nebenprodukte und damit ein Abscheiden von weiteren Kondensaten, insbesondere Naphthalin, vermieden wird.

Bei dem neuen Kühlsystem soll aus ökologischen Gründen die Menge an Kühlwasser minimiert und der Aufwand von zusätzlicher Wärmeenergie, z.B. für ein zusätzliches Erwärmen des abgekühlten Koksofengases, nicht erforderlich sein.

Es wurde ein Kühlersystem für Gase gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es aus

• einer Kühlereinheit mit bereits abgekühltem Gas als Kühlmittel und
• einer nachgeschalteten Kühlereinheit mit Kühlflüssigkeit

besteht.

Das erfindungsgemäße Kühlersystem ist im besonderen zum Kühlen und Wiederaufheizen von Koksofengas geeignet. Es eignet sich aber in gleicher Weise für ähnliche Gassysteme mit ähnlicher Aufgabenstellung, z.B. für Gichtgas und Konvertergas in Hüttenwerken.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Kühlersystems wird das bereits abgekühlte und eventuell weiter behandelte Koksofengas, aus dem die teerigen Kondensate weitgehend abgetrennt sind, als Kühlmittel für das noch zu kühlende, heiße Koksofenrohgas verwendet. Das Koksofengas wird dabei wieder erwärmt. Auf diese Weise wird vermieden, dass durch eine weitere Abkühlung auf dem Weg zur weiteren Verwendung noch bestehende kondensierbare Rückstände, insbesondere Naphthalin, ausfallen und anbacken.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Kühlersystems ist es möglich, ohne Einsatz zusätzlicher Energie das Koksofengas für nachfolgende technische Anwendungen vorzubereiten. Außerdem wird die Menge des benötigten Kühlwassers reduziert.

Grundsätzlich sind verschiedene Anordnungen der einzelnen Kühlereinheiten möglich. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, weitere Kühlereinheiten zuzufügen und hintereinander oder parallel zu schalten.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlersystems ist die Kühlereinheit mit bereits abgekühltem Koksofengas oder gereinigtem Koksofengas senkrecht über der Kühlereinheit mit Kühlflüssigkeit angeordnet.

Die Kühlung des heißen Koksofengases kann in den Kühlereinheiten durch die Verwendung von Gasen und von Flüssigkeiten als Kühlmittel erfolgen.

Als gasförmiges Kühlmittel wird gemäß der Erfindung das abgekühlte Koksofengas eingesetzt.

Als flüssiges Kühlmittel kommen grundsätzlich alle üblichen Kühlmittel, bevorzugt im Kreislauf geführtes Wasser, in Frage.

Das heiße Koksofengas wird um die Rohre des erfindungsgemäßen Kühlersystems mit dem gasförmigen und dem flüssigen Kühlmittel geleitet.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlersystems weisen die Kühlereinheiten eine Querverrohrung auf.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlersystems weist die Gas/Gas-Kühlereinheit eine Vertikalverrohrung auf.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung befindet sich bevorzugt über Kopf des Kühlersystems die Einleitung für das heiße Koksofengas. Das heiße Koksofengas weist im allgemeinen eine Temperatur im Bereich von 75 bis 100 °C, bevorzugt von 80 bis 90 °C, auf.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung befindet sich bevorzugt oberhalb des Sumpfes des Kühlersystems die Ableitung des abgekühlten Koksofengases. Das abgekühlte Koksofengas weist im allgemeinen eine Temperatur im Bereich von 15 bis 35 °C, bevorzugt von 20 bis 25 °C, auf.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung befindet sich bevorzugt im Sumpf des Kühlersystems der Ablauf des Kondensates, z.B. über einen Tauchverschluss. Das Kondensat wird kontinuierlich abgetrennt und kann aufgearbeitet werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird das abgekühlte und gegebenenfalls in weiteren Schritten gereinigte Koksofengas in das obere Kühlersystem und dann erwärmt einer nachfolgenden weiteren Verwendung zugeführt.

Je nach Größe der Wärmeaustauschfläche im oberen Gas/Gas-Kühlerteil kann das Koksofengas vor der Weiterleitung zur weiteren Verwendung um 10 bis 30 °C aufgeheizt werden. Das Rohgas wird entsprechend abgekühlt.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie aus

• einer Kühlereinheit mit bereits abgekühltem Koksofengas als Kühlmittel und
• einer nachgeschalteten Kühlereinheit mit Kühlflüssigkeit

besteht,
wobei die Kühlereinheiten in einem Kühler senkrecht übereinander angeordnet sind,
die Einleitung des heißen Koksofengases sich über Kopf und die Ableitung des abgekühlten Gases sich oberhalb des Sumpfes befindet und
wobei das abgekühlte Gas als Kühlmittel durch die obere Kühlereinheit geleitet wird.

Während des Abkühlungsvorgangs in dem erfindungsgemäßen Kühlersystem für Koksofengase scheiden sich die teerhaltigen Bestandteile des Koksofengases ab und fließen in den Sumpf des Kühlers. Dabei können die Bestandteile an den Wandungen und den Kühlrohren des Kühlers festbacken und die Kühlwirkung beeinträchtigen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befinden sich daher am Kopf des Kühlersystems Einspeisungen für Reinigungsflüssigkeiten zum Ablösen der Anbackungen und Ablagerungen.

Als Reinigungsflüssigkeit im Rahmen der vorliegenden Erfindung sei der heiße, sogenannte „Dünnteer" genannt. Dünnteer besteht im wesentlichen aus Wasser, in dem teerhaltige Bestandteile gelöst bzw. emulgiert sind.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befinden sich mindestens an den Seiten der oberen Kühlereinheit Dampfanschlüsse.

Durch die Dampfanschlüsse (beispielsweise als „Dampflanzen" ausgeführt) kann bei Bedarf heißer Wasserdampf zum Ablösen der Anbackungen und Ablagerungen gegeben werden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird das abgekühlte und in weiteren Schritten gereinigte Koksofengas in das obere Kühlersystem und dann erwärmt einer weiteren Verwendung zugeführt.

Es wurde auch ein Verfahren zur Abkühlung des heißen Koksofengases gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Koksofengas über Kopf in ein Kühlersystem geleitet wird, das aus

besteht,
wobei die Kühlereinheiten in einem Kühlerturm senkrecht übereinander angeordnet sind, und
das gekühlte Koksofengas oberhalb des Sumpfes abgeleitet und gereinigt
und
dann als Kühlmittel durch die obere Kühlereinheit geleitet wird.

Das erfindungsgemäße Kühlersystem kann mit Hilfe der 1 bis 3 erläutert werden:
1 zeigt einen Vertikalschnitt durch das erfindungsgemäße Kühlersystem (1), mit der Gas/Gas-Kühlereinheit (2) und der Gas/Flüssigkeit Kühlereinheit (3). Die Gas/Gas-Kühlereinheit (2) enthält einen Gas/Gas-Wärmetauscher mit Querverrohrung (23).
Das Koksofengas wird durch den Rohgaseintritt (4) auf ein Prallblech (6) geleitet, das es gleichmäßig über die Kühlereinheit mit bereits abgekühltem Koksofengas als Kühlmittel (2) verteilt. Nach der ersten Stufe der Abkühlung in der Gas/Gas-Wärmetauschereinheit mit Querverrohrung (23) wird das Gas in die nachgeschalteten Kühlereinheiten mit Kühlflüssigkeit (3) geleitet und auf die gewünschte Temperatur am Gasaustritt (13) gekühlt. Das abgekühlte Gas wird zur Abkühlung des heißen Koksofengases durch den Eintritt (7) der Kühlereinheit (2) geleitet und über den Austritt (8) einer nachfolgenden Verwendung zugeführt.
Zur Reinigung des erfindungsgemäßen Kühlersystems (1) kann Dünnteer über das Verteilerrohr (5) und Düsen eingespeist werden. Über die Dampflanze (9) und die Dampfanschlüsse (10) kann heißer Dampf zur Reinigung der Kühlereinheiten eingeleitet werden.
Die Kühlflüssigkeit wird über die Kreislauf-Kühlwasser-Einspeisung (11) in den Kühler eingeleitet. Über die Frischwasser- oder Kaltwasser-Einspeisung (12) kann zusätzlich sehr kalte Flüssigkeit zur Temperaturregulierung zugeführt werden. Über den Flüssigkeitsaustritt (15) wird die Kühlflüssigkeit abgeführt.
Das im Sumpf angesammelte Kondensat wird über den Auslass (14) meist über eine Tauchflasche abgezogen.
2 zeigt eine beispielhafte Gesamtanlage für die Aufarbeitung von Koksofengas.
Das bei dem Verkokungsvorgang in den Verkokungsöfen (16) entstehende Koksofengas wird durch die Gasvorlage (17) und die Rohgasweiterleitung über den Rohgaseintritt (4) in das erfindungsgemäße Kühlersystem (1) geleitet. In der Gasvorlage (17) sammeln sich Wasser und Teer nach dem Quentschen des Rohgases und das Rohgas.
In den dem erfindungsgemäßen Kühlersystem (1) folgenden Schritten sollen weitere kondensierbare Bestandteile des Gases abgetrennt und bestimmte Nebenprodukte ausgewaschen werden. Nach dem Beispiel der 2 wird das abgekühlte Rohgas von dem Gassauger (19) durch den Elektroteerfilter (18) geleitet. Diesem Reinigungsschritt schließen sich die Gaswäscher (20, 21 und 22) an.
Nach den Reinigungsschritten wird das Gas über den Eintritt (7) in die Kühlereinheit (2) geleitet und von dort über den Austritt (8) einer weiteren Verwendung zugeführt.
Soweit das Gas nach den Reinigungsschritten nicht zum Kühlen benötigt wird beziehungsweise nicht wieder erwärmt werden soll, kann es natürlich direkt einer weiteren Verwendung zugeführt werden.
3 zeigt einen Schnitt durch die Kühlereinheit mit bereits abgekühltem Koksofengas als Kühlmittel (2), in diesem Fall mit einer Vertikalverrohrung (24) des Gas/Gas-Wärmetauschers für das Koksofengas, das durch den Rohgaseintritt (4) eingeleitet wird.
Wie in 1 wird das Koksofengas durch den Rohgaseintritt (4) auf ein Prallblech (6) geleitet, das es gleichmäßig über die Kühlereinheit mit bereits abgekühltem Koksofengas als Kühlmittel (2) verteilt. Nach der ersten Stufe der Abkühlung in der Gas/Gas-Wärmetauschereinheit mit Vertikalverrohrung (24) wird das Gas, wie oben beschrieben, in die nachgeschaltete Kühlereinheit mit Kühlflüssigkeit (3) geleitet. Über den Auslass (14) kann das Kondensat abgezogen werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung eines Kühlersystem für Koksofengas, das aus

• einer Kühlereinheit mit bereits abgekühltem Koksofengas und/oder gereinigtem Koksofengas als Kühlmittel und
• einer nachgeschalteten Kühlereinheit mit Kühlflüssigkeit

Die erfindungsgemäße Verwendung des Kühlersystems, im Besonderen für Koksofengas, ermöglicht kostengünstig und unter Einsparung von Energie eine Abkühlung des Gases und eine nachfolgende Wiedererwärmung zur Vermeidung von störenden Ablagerungen bei nachfolgenden Anwendungen.

1: Kühlersystem
2: Gas/Gas-Kühlereinheit
3: Gas/Flüssigkeit-Kühlereinheit
4: Rohgaseintritt
5: Einspeisung von Reinigungsflüssigkeit, z.B. Dünnteer
6: Prallblech
7: Eintritt für das gekühlte Koksofengas
8: Austritt für das wieder erwärmte Koksofengas
9: Dampflanze
10: Dampfanschlüsse
11: Kreislaukühlwassereinspeisung
12: Frischwassereinspeisung oder Kaltwassereinspeisung
13: Austritt für das abgekühlte Koksofengas
14: Kondensatableitung
15: Kühlwasseraustritt
16: Koksofenbatterie
17: Gasvorlage
18: Elektroteerfilter
19: Gassauger
20: Gaswascher
21: Gaswascher
22: Gaswascher
23: Gas/Gas-Wärmetauschereinheit mit Querverrohrung
24: Gas/Gas-Wärmetauschereinheit mit Vertikalverrohrung

Claims

Kühlersystem für Gase, dadurch gekennzeichnet, dass es aus • einer Kühlereinheit mit bereits abgekühltem Gas oder gereinigtem Gas als Kühlmittel und • einer nachgeschalteten Kühlereinheit mit Kühlflüssigkeit besteht.
Kühlersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas Koksofengas eingesetzt wird.
Kühlersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kühler die Kühlereinheit mit bereits abgekühltem Koksofengas oder gereinigtem Koksofengas senkrecht über der Kühlereinheit mit Kühlflüssigkeit angeordnet ist.
Kühlersystem nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlereinheiten eine Querverrohrung aufweisen.
Kühlersystem nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas-/Gas-Kühlereinheit eine Vertikalverrohrung aufweist.
Kühlersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich über Kopf des Kühlersystems die Einleitung für das heiße Koksofengas befindet.
Kühlersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich oberhalb des Sumpfes des Kühlersystems die Ableitung des abgekühlten Koksofengases befindet.
Kühlersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Sumpf des Kühlersystems der Ablauf des Kondensates befindet.
Kühlersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das abgekühlte und in weiteren Schritten gereinigte Koksofengas in das obere Kühlersystem und dann erwärmt einer weiteren Verwendung zugeführt wird.
Kühlersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das abgekühlte Koksofengas nach dem Austritt aus dem Kühlersystem direkt in die obere Stufe (den Gas-/Gas-Wärmetauscher) geleitet wird und erst dann weiteren Reinigungsstufen und/oder einer weiteren Verwendung zugeführt wird.
Kühlersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es aus • einer Kühlereinheit mit bereits abgekühltem Koksofengas als Kühlmittel und • einer nachgeschalteten Kühlereinheit mit Kühlflüssigkeit besteht, wobei die Kühlereinheiten in einem Kühler senkrecht übereinander angeordnet sind, die Einleitung des heißen Koksofengases sich über Kopf und die Ableitung des abgekühlten Gases sich oberhalb des Sumpfes befindet und wobei das abgekühlte Gas durch die obere Kühlereinheit geleitet wird.
Kühlersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Einspeisung für Reinigungsflüssigkeiten enthält.
Kühlersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es auch in der oberen Kühlereinheit Dampfanschlüsse enthält.
Verfahren zur Abkühlung des heißen Koksofengases, dadurch gekennzeichnet, dass das Koksofengas über Kopf in ein Kühlersystem geleitet wird, das aus • einer Kühlereinheit mit bereits abgekühltem Koksofengas als Kühlmittel und • einer nachgeschalteten Kühlereinheit mit Kühlflüssigkeit besteht, wobei die Kühlereinheiten in einem Kühler senkrecht übereinander angeordnet sind, und gekühlt oberhalb des Sumpfes abgeleitet und weiter gereinigt wird und dann durch die obere Kühlereinheit geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Koksofengas bei der Einleitung über Kopf des Kühlersystems eine Temperatur im Bereich von 70 bis 100 °C aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Koksofengas oberhalb des Sumpfes des Kühlersystems eine Temperatur im Bereich von 15 bis 35 °C aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Koksofengas am Ausgang der Kühlereinheit mit bereits abgekühltem Koksofengas als Kühlmittel eine Temperatur im Bereich von etwa 60 bis 80 °C aufweist.
Verwendung eines Kühlersystems für Koksofengas nach den Ansprüchen 1 bis 13 zur Vorbereitung des gereinigten Gases für technische Anwendungen.