DE102009042520A1 - Verfahren zum Betrieb einer Koksofenanordnung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Koksofenanordnung, wobei das in dem Kokereiprozess anfallende Koksofengas als Nutzgas einer stofflichen Verwertung zugeführt wird. Erfindungsgemäß wird zur Bereitstellung zumindest eines Teils der für den Kokereiprozess erforderlichen thermischen Energie als Brenngas ein Synthesegas zugeführt, welches mittels eines Vergasungsprozesses aus einem fossilen Brennstoff, vorzugsweise Kohle, erzeugt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Koksofenanordnung, wobei das in dem Kokereiprozess anfallende Koksofengas als Nutzgas einer stofflichen Verwertung zugeführt wird.
  • In der Praxis wird das bei einem Kokereiprozess anfallende Koksofengas üblicherweise verbrannt und somit nur energetisch genutzt, obwohl Koksofengas große Anteile der Wertstoffkomponenten Wasserstoff und Methan enthält. Vorbehalte gegen eine Nutzung ergeben sich daraus, dass bei einer stofflichen Nutzung das Koksofengas nicht mehr als Heizgas zur Verfügung steht und die fehlende Heizenergie anderweitig bereitgestellt werden muss.
  • Aus der DE 34 244 24 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem das in dem Kokereiprozess anfallende Koksofengas als Nutzgas einer stofflichen Verwertung zugeführt wird. Dabei wird Wasserstoff abgetrennt und ein geeignetes H2-CO-Verhältnis eingestellt, um nachfolgend durch Methanisierung ein synthetisches Erdgas zu erzeugen. Da das Koksofengas bei einer stofflichen Nutzung nicht mehr zur Erzeugung der für den Kokereiprozess erforderlichen thermischen Energie zur Verfügung steht, wird als Ersatzgas für die Unterfeuerung der Koksofengasbatterie Gichtgas oder Grubengas vorgeschlagen. Der Einsatz von Gicht- oder Grubengas kommt dann in Frage, wenn sich in unmittelbarer Nähe der Kokerei ein Stahlwerk oder Kohlebergwerk befindet und der Einsatz dieser Ersatzgase sich als wirtschaftlich herausstellt. Da diese Vorgaben in der Praxis nur selten erfüllt sind, erfolgt, wie eingangs beschrieben, üblicherweise nur eine Verwertung des Koksofengases zu Heizzwecken.
  • Weitere Verfahren, bei denen Koksofengas einer stofflichen Nutzung zugeführt wird, sind aus der DE 35 15 250 A1 sowie der DE 38 05 397 A1 bekannt. Bei diesen Verfahren ist jeweils vorgesehen, dass das einen hohen Wasserstoffanteil aufweisende Koksofengas mit dem einen hohen Kohlenmonoxidanteil aufweisenden Hüttengas vermischt wird. Die bekannten Verfahren setzen voraus, dass Hüttengas, welches zunächst aufwendig gereinigt werden muss, in einem ausreichenden Maße zur Verfügung steht.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei dem Betrieb einer Koksofenanordnung eine flexible und effiziente Nutzung des anfallenden Koksofengases zu ermöglichen.
  • Gegenstand der Erfindung und Lösung der Aufgabe ist ein Verfahren zum Betrieb einer Koksofenanordnung mit den eingangs beschriebenen Merkmalen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass zur Bereitstellung zumindest eines Teils der für den Kokereiprozess erforderlichen thermischen Energie als Brenngas ein Synthesegas zugeführt wird, welches mittels eines Vergasungsprozesses aus fossilen Brennstoff erzeugt wird. Durch die Verwendung eines fossilen Brennstoffes zur Erzeugung des Synthesegases ergibt sich eine besonders hohe Flexibilität des Verfahrens zum Betrieb einer Koksofenanordnung. Obwohl die Bereitstellung des fossilen Brennstoffes und die Durchführung des Vergasungsprozesses zur Erzeugung des Synthesegases mit zusätzlichen Investitions- und Prozesskosten verbunden sind, ergeben sich durch die Gewinnung der in dem Koksofengas enthaltenden Wertstoffkomponenten insgesamt wirtschaftliche Vorteile. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn als fossiler Brennstoff Kohle eingesetzt wird, die im Vergleich zu anderen für die Durchführung des Vergasungsprozesses geeigneten fossilen Brennstoffen wie beispielsweise Erdgas vergleichsweise günstig ist und für die Durchführung des Kokereiprozesses ohnehin bereitgehalten wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann damit unabhängig von weiteren Produktionsstädten wie Kohlebergwerken oder Hochöfen eingesetzt werden. Wenn in unmittelbarer Nähe jedoch eine Hochofenanlage vorgesehen ist, besteht auch die Möglichkeit einen zusätzlichen Anteil des erzeugten Synthesegases zur thermischen Nutzung einem Hochofen zuzuführen.
  • Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die bei dem Kokereiprozess in dem Koksofengas anfallenden Gaskomponenten wie Wasserstoff und/oder Methan abzutrennen und entweder als Endprodukt zu verwenden oder in noch höherwertige Produkte umzuwandeln, wobei dann die für den Kokereiprozess und eventuell auch einen Hochofenprozess fehlende Energiemenge durch das mittels Vergasung aus dem fossilen Brennstoff erzeugte Synthesegas ersetzt wird. Das erzeugte Rohsynthesegas muss in der Regel nur entschwefelt werden, bevor es zur Bereitstellung eines Teils der für den Kokereiprozess erforderlichen thermischen Energie als Brenngas zugeführt und insbesondere zur Unterfeuerung von Koksofenbatterien eingesetzt wird. Eine aufwendige Aufbereitung des Synthesegases, die unter anderem auch die Entfernung von Kohlendioxid umfasst, ist bei dem als Brenngas genutzten Synthesegas nicht erforderlich.
  • Im Rahmen der Erfindung kann vorgesehen sein das aus dem fossilen Brennstoff gebildete Synthesegas ausschließlich zur Bereitstellung thermischer Energie als Brenngas zu nutzen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird jedoch mehr Synthesegas erzeugt als für den Ersatz des erfindungsgemäß stofflich verwerteten Koksofengases erforderlich ist. So kann vorgesehen sein, dass als Brenngas ein erster Anteil des erzeugten Synthesegases eingesetzt wird und dass ein zusätzlicher Anteil des erzeugten Synthesegases für eine weitere Umwandlung und stoffliche Nutzung verwendet wird.
  • Das bei dem Kokereiprozess anfallende Koksofengas wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zunächst in an sich bekannter Weise von Verunreinigungen wie Teer, Naphthalin, aromatischen Kohlenwasserstoffen (BTX-Komponenten), Schwefel und Ammoniak befreit, wie dies auch gemäß dem Stand der Technik bei einem herkömmlichen Kokereiprozess vorgesehen ist. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das soweit gereinigte Koksofengas zur Abtrennung von Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoffen verdichtet. Zur Abtrennung des Wasserstoffs kann beispielsweise eine Druckwechseladsorption (PSA) in einer PSA-Anlage vorgesehen sein, wobei der Wasserstoff auf der Druckseite der PSA-Anlage in hochreiner Form gewonnen wird. Die Druckwechselabsorption kann sowohl in einer üblichen PSA-Anlage oder einer Vakuum-PSA-Anlage (VPSA-Anlage) durchgeführt werden.
  • Auf der Entspannungsseite der PSA-Anlage wird ein methanreiches Gas gewonnen, welches in weiteren Aufbereitungsschritten von den restlichen Gaskomponenten, insbesondere Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2), Stickstoff, Acetylen und noch enthaltendem Wasserstoff getrennt wird. Die Entfernung von Stickstoff, Kohlenmonoxid sowie dem noch enthaltenden Wasserstoff kann beispielsweise durch eine Tieftemperaturdestillation erfolgen, wobei zuvor noch Kohlendioxid und Wasserdampf mit geeigneten Verfahren, z. B. mittels einer Armin-Wäsche und/oder einer Molekularsiebtrocknung zu entfernen sind. Die so als Nutzgas gewonnenen Kohlenwasserstoffkomponenten können einem Erdgasnetz zugeführt und/oder für eine weitere Synthese bereitgehalten werden.
  • Wie bereits beschrieben, können die aus dem Kokereigas gewonnenen Gaskomponenten als Endprodukte verwendet oder in noch hochwertigere Produkte umgewandelt werden, wobei zur weiteren Synthese und Umwandlung auch ein Anteil des bei der Vergasung des fossilen Brennstoffs gebildeten Synthesegases genutzt werden kann. Vorteilhafte Möglichkeiten der Nutzung werden nachfolgend erläutert.
  • Der abgetrennte Wasserstoff kann in benachbarten Chemieanlagen, beispielsweise Raffinerien, allgemein als Hydrierwasserstoff eingesetzt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen den erzeugten Wasserstoff und einen Anteil des durch die Vergasung des fossilen Brennstoffes gebildeten Synthesegases einer weiteren Umwandlung zu unterziehen, wobei der Wasserstoff mit einem Teil des Kohlenmonoxids des Synthesegases zu höherwertigen Produkten umgesetzt wird. So kann beispielsweise eine Synthese von Methanol sowie darüber hinausgehend die Erzeugung von Treibstoff durch ein MTG-Verfahren (Methanol to gasoline), die Synthese von Diesel nach einem Fischer-Tropsch-Verfahren oder auch die Synthese von Ammoniak vorgesehen sein.
  • Wenn für eine weitere Synthese die Nutzung des gewonnenen Wasserstoffs mit dem aus dem fossilenen Brennstoff gewonnenen Synthesegas, welches im Wesentlichen Kohlenmonoxid enthält, vorgesehen ist, ergibt sich der Vorteil, dass ein spezifisches Wasserstoff/Kohlenmonoxid-Verhältnis durch eine entsprechende Zuflusssteuerung in einem weiten Bereich frei gewählt werden kann.
  • Insbesondere um in Bezug auf das gesamte Verfahren die Wasserstoffausbeute noch weiter zu erhöhen, kann vorgesehen sein einen Anteil des erzeugten Synthesegases einer CO-Konvertierung zu unterziehen. Zu diesem Zweck kann die CO-Konvertierung unter Zusatz von Wasserdampf erfolgen, wobei nach einer Entschwefelung des konvertierten Synthesegases Kohlendioxid zumindest teilweise entfernt wird, wobei nachfolgend der verbleibende Gasstrom zur Entfernung von Wasserstoff einer Druckwechseladsorption unterzogen wird und wobei das dabei anfallende um Wasserstoff abgereicherte Off-Gas als Brenngas für den Kokereiprozess eingesetzt wird. Üblicherweise stellt dieses thermisch verwertete Off-Gas einen Anteil des insgesamt zur Bereitstellung der thermischen Energie erforderlichen Brenngases dar.
  • Als weitere Nutzung des aus dem fossilen Brennstoff gebildeten Synthesegases kann auch die Erzeugung von Strom mit einem kombinierten Gas- und Dampfkraftwerk (GUD-Prozess) vorgesehen sein.
  • Erfindungsgemäß wird ein Teil der für den Kokereiprozess erforderlichen thermischen Energie von einem Synthesegas als Brenngas bereitgestellt, welches mittels eines Vergasungsprozesses aus dem fossilen Brennstoff, vorzugsweise mittels Kohlevergasung, gewonnen wird. Um einen weiteren Teil der thermischen Energie bereitzustellen, können auch die in verschiedenen nachfolgenden Verfahrensstufen anfallenden Rest- und Abgase zur Verbrennung genutzt werden. Insbesondere das Off-Gas der bevorzugt vorgesehenen PSA-Anlage enthält in der Regel noch große Anteile brennbarer Komponenten, die durch eine Verbrennung thermisch verwertete werden können. Des Weiteren können auch hochwertige Brennstoffe mit einem höheren Heizwert, wie beispielsweise Erdgas zugemischt werden. Eine solche Zumischung kann erforderlich sein, um eine gewünschte Wobbe-Zahl einzustellen oder einen noch nicht durch die weiteren Brenngase gedeckten Energiebedarf auszugleichen.
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    • DE 3424424 A1 [0003]
    • DE 3515250 A1 [0004]
    • DE 3805397 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Koksofenanordnung, wobei das in dem Kokereiprozess anfallende Koksofengas als Nutzgas einer stofflichen Verwertung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung zumindest eines Teils der für den Kokereiprozess erforderlichen thermischen Energie als Brenngas ein Synthesegas zugeführt wird, welches mittels eines Vergasungsprozesses aus einem fossilen Brennstoff erzeugt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als fossiler Brennstoff Kohle eingesetzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Koksofengas verdichtet und entschwefelt wird, bevor daraus Wasserstoff entfernt und nachfolgend Kohlenwasserstoffe von Restgaskomponenten getrennt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Koksofengas Wasserstoff durch Druckwechseladsorption abgetrennt wird, wobei nachfolgend Kohlenwasserstoffe mittels einer Tieftemperaturdestillation abgetrennt werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Brenngas ein erster Anteil des erzeugten Synthesegases eingesetzt wird und dass ein zusätzlicher Anteil des erzeugten Synthesegases für eine weitere Synthese mit dem aus dem Koksofengas abgetrennten Wasserstoff genutzt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Brenngas ein erster Anteil des erzeugten Synthesegases eingesetzt wird und dass ein zusätzlicher Anteil des erzeugten Synthesegases einer CO-Konvertierung unterzogen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die CO-Konvertierung unter Zusatz von Wasserdampf erfolgt, wobei nach einer Entschwefelung des konvertierten Synthesegases Kohlendioxid zumindest teilweise entfernt wird, wobei nachfolgend der verbleibende Gasstrom zur Entfernung von Wasserstoff einer Druckwechseladsorption unterzogen wird und wobei das dabei anfallende, um Wasserstoff abgereicherte Off-Gas als Brenngas für den Kokereiprozess eingesetzt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Brenngas ein erster Anteil des erzeugten Synthesegases eingesetzt wird und dass ein zusätzlicher Anteil des erzeugten Synthesegases in einem Gas- und Dampfkraftwerk zur Stromerzeugung genutzt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung der für den Kokereiprozess erforderlichen thermischen Energie zusätzlich zu dem Synthesegas ein weiteres Heizgas zugeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Anteil des erzeugten Synthesegases zur thermischen Nutzung einem Hochofen zugeführt wird.
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