DE102019206628A1 - Coke oven device for producing coke and method for operating the coke oven device and use - Google Patents
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- C10B5/00—Coke ovens with horizontal chambers
- C10B5/02—Coke ovens with horizontal chambers with vertical heating flues
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Koksofenvorrichtung (10) zum Herstellen von Koks, mit einer Vielzahl von Zwillingsheizzügen (13) mit Heizkanälen, welche jeweils paarweise durch eine Trennwand (14) voneinander abgegrenzt und durch zwei einander gegenüberliegende Läuferwände (15) abgeschottet sind, wobei im unteren Bereich am Boden (5.4) des jeweiligen Heizkanals wenigstens ein Einlass aus der folgenden Gruppe vorgesehen ist: Koksofengas-Einlass (18), Verbrennungsluft-Einlass (16), Mischgas-Einlass (17); wobei am jeweiligen Boden (5.4) das Verhältnis (y1:y2) des Abstandes (y1) zwischen den zugewandten Kanten des Verbrennungsluft-Einlasses (16) und des Mischgas-Einlasses (17) zum Abstand (y2) der Innenkanten der Trennwände (14) mindestens 10% beträgt, wobei der Abstand (y1) zwischen den zugewandten Kanten des Verbrennungsluft-Einlasses (16) und des Mischgas-Einlasses (17) mindestens 50mm beträgt, wobei wenigstens einer der Verbrennungsluft- und Mischgas-Einlässe (16, 17) exzentrisch in einem x-Abstand größer Faktor 0,7 der absoluten x-Erstreckung des Heizkanals zwischen gegenüberliegenden Läuferwänden (15) angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren.The invention relates to a coke oven device (10) for producing coke, with a plurality of twin heating flues (13) with heating channels, each of which is separated from one another in pairs by a partition (14) and sealed off by two opposing rotor walls (15), the lower one being At least one inlet from the following group is provided in the area at the bottom (5.4) of the respective heating channel: coke oven gas inlet (18), combustion air inlet (16), mixed gas inlet (17); where at the respective bottom (5.4) the ratio (y1: y2) of the distance (y1) between the facing edges of the combustion air inlet (16) and the mixed gas inlet (17) to the distance (y2) of the inner edges of the partition walls (14) is at least 10%, the distance (y1) between the facing edges of the combustion air inlet (16) and the mixed gas inlet (17) being at least 50mm, with at least one of the combustion air and mixed gas inlets (16, 17) being eccentric is arranged at an x distance greater than a factor of 0.7 of the absolute x extension of the heating channel between opposing rotor walls (15). The invention also relates to a corresponding method.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von Koks bei minimierten NOx-Emissionen sowie entsprechende Verwendungen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des jeweiligen unabhängigen Anspruchs.The invention relates to a device and a method for producing coke with minimized NOx emissions and corresponding uses. In particular, the invention relates to a device and a method according to the preamble of the respective independent claim.
HINTERGRUNDBACKGROUND
Der Bedarf an Koksöfen ist weltweit nach wie vor hoch und wird auch für die Zukunft als weiterhin hoch eingeschätzt, wie z.B. in der folgenden Veröffentlichung beschrieben:
Auf Fachkongressen und in Fachzeitschriften wird in den letzten Jahren verstärkt kommuniziert, dass bei den lokalen Umweltbehörden der jeweiligen Länder sowie auf Kundenseite sehr viel strengere Anforderungen hinsichtlich reduzierter Umweltbelastungen durch Rauchgasemissionen bereits gestellt werden oder in naher Zukunft zu erwarten sind. Bezüglich dieser Rauchgasemissionen hat sich die thermische NOx-Bildung in den vertikalen, rauchgasführenden Heizzügen von Koksöfen als eine der Hauptursachen erwiesen.At specialist congresses and in specialist magazines, it has been increasingly communicated in recent years that the local environmental authorities in the respective countries as well as on the customer side are already making much stricter requirements with regard to reduced environmental pollution from flue gas emissions or are expected in the near future. With regard to these flue gas emissions, the thermal NO x formation in the vertical, flue gas-carrying heating flues of coke ovens has proven to be one of the main causes.
Als im Jahr 2018 zulässiger oder in bestehenden Anlagen noch tolerierter Emissions-Grenzwert lässt sich insbesondere für europäische Territorien nennen: 500mg/Nm3, entsprechend ca. 250ppm bei 5% Sauerstoff O2. Dieser Grenzwert gilt jedoch schon seit vielen Jahren und wird möglicherweise in naher Zukunft in vielen Ländern weiter herabgesetzt. Interesse besteht daher an einer signifikanten Unterschreitung dieses Grenzwerts mittels technischer Maßnahmen in möglichst naher Zukunft.The following emission limit values that were permitted in 2018 or that are still tolerated in existing plants can be mentioned, particularly for European territories: 500mg / Nm 3 , corresponding to approx. 250ppm at 5% oxygen O2. However, this limit has been in place for many years and may be further reduced in many countries in the near future. There is therefore interest in significantly falling below this limit value by means of technical measures in the near future.
Stickoxide werden insbesondere durch das speziell bei der Verbrennung von Koksofengas erzeugte Rauchgas freigesetzt, insbesondere ab einer Düsensteintemperatur (also einer Temperatur im abgasführenden Heizkanal am Boden) von ca. 1.250°C; hierbei wird von der so genannten thermischen NOx-Bildung gesprochen. Die thermische NOx-Bildung wird mit weiter ansteigenden Temperaturen exponentiell weiter begünstigt bzw. angefacht, so dass die Emission von Stickoxiden stark durch die thermischen Betriebsbedingungen des Koksofens im jeweiligen Lastzustand bestimmt wird. Es ist demnach auch hinreichend bekannt, dass insbesondere in den vertikalen, rauchgasführenden Heizzügen des Koksofens durch Einstellen bzw. Regeln eines bestimmten Temperaturregimes Einfluss auf die NOx-Emission genommen werden kann. Ein Ofenbetreiber ist also bemüht bzw. wird durch umwelttechnische Vorgaben dazu gezwungen, die Temperatur im abgasführenden Heizkanal möglichst niedrig zu halten, insbesondere nicht über 1.250°C ansteigen zu lassen. Gleichwohl haben sich in der Anlagenpraxis weltweit deutlich höhere Prozesstemperaturen im Bereich von 1.250 bis 1.320°C etabliert, als Kompromiss für einen nicht nur ökologischen, sondern auch ökonomischen Anlagenbetrieb.Nitrogen oxides are released, in particular, by the flue gas specially generated during the combustion of coke oven gas, in particular from a nozzle stone temperature (i.e. a temperature in the exhaust-gas-carrying heating duct on the floor) of approx. 1,250 ° C; this is referred to as the so-called thermal NOx formation. The thermal NOx formation is further promoted or increased exponentially with increasing temperatures, so that the emission of nitrogen oxides is largely determined by the thermal operating conditions of the coke oven in the respective load state. It is therefore well known that, in particular in the vertical, flue gas-carrying heating flues of the coke oven, the NOx emissions can be influenced by setting or regulating a specific temperature regime. A furnace operator therefore endeavors or is forced by environmental specifications to keep the temperature in the exhaust gas-carrying heating duct as low as possible, in particular not to let it rise above 1,250 ° C. At the same time, significantly higher process temperatures in the range of 1,250 to 1,320 ° C have become established in plant practice worldwide, as a compromise for not only ecological, but also economical plant operation.
Eine hinsichtlich NOx-Emissionen optimierte Anlagenfahrweise muss also auf ein abgesenktes (vergleichsweise niedriges) Temperaturniveau im Heizzug abgestimmt werden. Dies ist jedoch mit dem Absinken der Verkokungsleistung und damit zwangsläufig mit einem Verlust an Koksproduktion verbunden. Beispiel: Anstelle 100 Öfen müssen bei einer höheren zulässigen Betriebstemperatur nur ca. 95 bis 98 Öfen gebaut werden, entsprechend einer apparativen Einsparung von 2 bis 5 Prozent (geringeres Investitionsvolumen, bis zu 5% weniger Anlagenkosten, z.B. in Bezug auf ein Investitionsvolumen von 100 bis 800 Mio. Euro).A system operation that is optimized with regard to NOx emissions must therefore be adjusted to a lowered (comparatively low) temperature level in the heating flue. However, this is associated with a decrease in coking output and thus inevitably with a loss of coke production. Example: Instead of 100 ovens, only approx. 95 to 98 ovens need to be built at a higher permissible operating temperature, corresponding to a savings in equipment of 2 to 5 percent (lower investment volume, up to 5% lower system costs, e.g. in relation to an investment volume of 100 to 800 million euros).
Zum Senken der NOx-Emission wird aufgrund dieser unwirtschaftlichen Leistungsverluste nur sehr ungern versucht, während der Verkokung ein abgesenktes Temperaturniveau dauerhaft einzuhalten bzw. lokale Temperaturspitzen in den Heizzügen zu vermeiden. Vielmehr wird, solange es rechtlich zulässig bleibt, in Kauf genommen, dass die NOx-Emissionen nachteilig hoch bleiben. Der Ofenbetreiber weiß jedoch: Wenn es möglich wäre, bei vergleichsweise moderater, abgesenkter Temperatur den Wärmeenergieeintrag konstant hoch zu halten, so wirkt sich dies bei vergleichbarem Output positiv hinsichtlich möglichst geringer NOx-Emissionen aus.In order to reduce the NOx emissions, because of these uneconomical power losses, attempts are made only very reluctantly to maintain a reduced temperature level during the coking process or to avoid local temperature peaks in the heating flues. Rather, as long as it remains legally permissible, it is accepted that the NOx emissions will remain disadvantageously high. The furnace operator knows, however, that if it were possible to keep the heat energy input constantly high at a comparatively moderate, reduced temperature, this would have a positive effect on the lowest possible NOx emissions with a comparable output.
Koksöfen können insbesondere bezüglich der Ausdrückrichtung des Kokses in Vertikalkammeröfen und Horizontalkammeröfen unterteilt werden. Bei Horizontalkammeröfen erfolgt das Verkoken chargenweise: Nach dem Verkoken wird der Koks in horizontaler Richtung ausgedrückt (Batch-Betrieb). Im Gegensatz dazu wird die Kohle in Vertikalkammeröfen kontinuierlich in vertikaler Richtung zu- und abgeführt (Conti-Betrieb). Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf Horizontalkammeröfen.Coke ovens can be subdivided into vertical chamber ovens and horizontal chamber ovens, in particular with regard to the direction in which the coke is pushed out. In horizontal chamber furnaces, coking takes place in batches: After coking, the coke is expressed in a horizontal direction (batch operation). In contrast to this, in vertical chamber furnaces, the coal is continuously fed in and out vertically (Conti operation). The present invention particularly relates to horizontal chamber furnaces.
Koksöfen werden wahlweise durch ein aus Hochofengicht- und Koksofengas erzeugtes Mischgas oder durch pures Koksofengas beheizt (Koksofengas-Beheizung üblicherweise in weniger als 10% der jährlichen Betriebsdauer). Auf Grund der hohen Anteile an Wasserstoff und Kohlenmonoxid und der daraus resultierenden hohen Flammentemperatur ist vor allem das durch Koksofengasverbrennung erzeugte Rauchgas mit hohen NOx-Anteilen belastet. Auch deshalb zielten viele der bisherigen Maßnahmen vornehmlich auf die Minderung von NOx-Emissionen speziell bei Koksofengasbeheizung ab. Im Folgenden wird eine tabellarische Übersicht über die Elementenverteilung (in Vol.%) der jeweiligen Gasart wiedergegeben, wobei diese Angabe auf Mittelwerten beruhen, die über mehrere Jahre ermittelt wurden, insbesondere von den Inhabern des geistigen Eigentums der vorliegenden Erfindung:
Hochofengase entstehen während Eisenerzschmelzvorgängen in Hochöfen und werden auch als „niederkalorige“ Gase bezeichnet, da sie typischer Weise nur geringe Wärmeinhalte aufweisen (untere Heizwerte zwischen 2.700 und 3.800 kJ/Nm3). Hochofengase sind vergleichsweise kostengünstig. Koksofengase werden während des Verkokungsprozesses in Koksöfen erzeugt und weisen hohe Wärmeinhalte auf (untere Heizwerte zwischen 15.900 und 19.500 KJ/Nm3). Sie werden daher auch als „Starkgase“ bezeichnet. Koksofengase sind vergleichsweise teuer.Blast furnace gases are produced during iron ore smelting processes in blast furnaces and are also referred to as "low calorific value" gases, as they typically have only a low heat content (lower calorific values between 2,700 and 3,800 kJ / Nm3). Blast furnace gases are comparatively inexpensive. Coke oven gases are generated in coke ovens during the coking process and have a high heat content (lower calorific values between 15,900 and 19,500 KJ / Nm3). They are therefore also referred to as "strong gases". Coke oven gases are comparatively expensive.
Aus ökonomischen Gründen werden beide Gasarten in der Praxis üblicherweise so verwendet, dass sie vorab im Verhältnis 87 bis 97 Vol.-% Hochofengas zu 3 bis 13% Koksofengas gemischt und zur Verbrennung den Koksöfen zugeführt werden. Dieses Mischgas wird üblicherweise zu mehr als 90% des Jahres als Beheizungsgas in den Koksöfen verwendet. Sonstige Gasarten, die gelegentlich als alternative Komponenten zu den Ausgangsgasarten (Hochofengas, Koksofengas) hinzugemischt werden (das entstehende Gasgemisch wird üblicherweise als „Koksofen-Mischgas“ bezeichnet), sind unter dem Begriff „Konvertergas“ oder „Generatorgas“ bekannt. „Konvertergase“ stammen zumeist aus der stahlerzeugenden Industrie. „Generatorgase“ werden in vielen Industriezweigen, zumeist in kohleverarbeitenden Prozessen generiert. Die vorliegende Erfindung betrifft vornehmlich die Verwendung von Mischgasen im engeren Sinne, also Mischgas ohne vordefinierten Anteil von „Konvertergas“ oder „Generatorgas“ .For economic reasons, both types of gas are usually used in practice in such a way that they are mixed beforehand in a ratio of 87 to 97% by volume of blast furnace gas to 3 to 13% coke oven gas and fed to the coke ovens for combustion. This mixed gas is usually used more than 90% of the year as heating gas in the coke ovens. Other types of gas, which are sometimes added as alternative components to the starting gas types (blast furnace gas, coke oven gas) (the resulting gas mixture is usually referred to as “coke oven mixed gas”), are known as “converter gas” or “generator gas”. “Converter gases” mostly come from the steel-making industry. “Generator gases” are generated in many branches of industry, mostly in coal-processing processes. The present invention relates primarily to the use of mixed gases in the narrower sense, that is to say mixed gas without a predefined proportion of “converter gas” or “generator gas”.
Unter Bezugnahme auf die obige Tabelle wird Wasserstoff als diejenige Komponente eingeschätzt, deren Verbrennung mit der höchsten lokalen Flammentemperatur und damit mit der höchsten thermischen Stickoxidbildung verbunden ist. Koksofengas weist einen beträchtlich größeren Wasserstoffanteil als Hochofengas auf. Daher verursacht die Koksofengasbeheizung hinsichtlich Emissionsgrenzwerten besonders große Schwierigkeiten im Anlagenbetrieb.With reference to the table above, hydrogen is assessed as the component whose combustion is associated with the highest local flame temperature and thus with the highest thermal nitrogen oxide formation. Coke oven gas has a considerably larger proportion of hydrogen than blast furnace gas. Therefore, the coke oven gas heating causes particularly great difficulties in plant operation with regard to emission limit values.
Erwähnenswert ist, dass es auch Kokereianlagen mit so genannten „Starkgasöfen“ gibt, die insbesondere aufgrund isolierter geografischer Lage nicht mit einem Hochofen verbunden sein können, und die zur Beheizung zu 100% der Betriebsdauer das in den Koksöfen während der Kohlepyrolyse selbst erzeugte Gas nutzen (müssen), wobei das Gas üblicher Weise nach entsprechender Entfernung von Verunreinigungen oder Wertstoffen in einer so genannten Nebengewinnungsanlage zu den Öfen zurückgeführt wird. Diese Öfen sind jedoch nicht für die standardmäßige „Mischgasbeheizung“ konzipiert.It is worth mentioning that there are also coking plants with so-called "strong gas ovens", which cannot be connected to a blast furnace, especially due to their isolated geographical location, and which use the gas generated in the coke ovens during coal pyrolysis for heating for 100% of the operating time ( must), whereby the gas is usually returned to the ovens in a so-called secondary recovery plant after appropriate removal of impurities or valuable substances. However, these ovens are not designed for standard "mixed gas heating".
Die Ofenkammern der zuvor beschriebenen Koksöfen weisen üblicherweise (Situation im Jahr 2018) eine Höhe im Bereich von 4 bis 8.5m auf, wobei die bevorzugte Höhe der Ofenkammern bzw. Heizkanäle auch durch die Betriebsweise vorgegeben wird. Die Höhe hat Einfluss auf die sich im Heizkanal einstellende Druckdifferenz. Ist eine große Druckdifferenz erforderlich, so muss eine große Höhe gewählt werden. Es ist anzunehmen, dass die Temperatur über die gesamte Höhe der Ofenkammer möglichst konstant gehalten werden sollte, denn nur dann dürfte es möglich sein, einen effizienten Betriebszustand einzustellen, ohne zu starken Anstieg der NOx-Emissionen. Das Temperaturgefälle soll möglichst deutlich kleiner als 40K bzw. 40°C sein, insbesondere bei einer Temperatur in der Ofenkammer im Bereich von 1.000 bis 1.100°C. Ein derart kleines Temperaturgefälle begünstigt auch eine optimale Koksqualität. Ein Temperaturmaximum deutlich über der Durchschnittstemperatur würde die thermische NOx-Bildung fördern. Ein Koksofen kann wohl dann bei einem besonders optimalen Kompromiss aus hohem Output und niedrigen NOx-Emissionen betrieben werden, wenn die Temperaturverteilung sehr homogen ist und wenn die Temperatur dabei in der gesamten Ofenkammer knapp unterhalb derjenigen Temperatur bleibt, ab welcher die thermische NOx-Bildung erfolgt oder exponentiell stark angefacht wird.The oven chambers of the coke ovens described above usually (situation in 2018) have a height in the range of 4 to 8.5 m, the preferred height of the oven chambers or heating channels also being determined by the operating mode. The height has an influence on the pressure difference that is established in the heating duct. If a large pressure difference is required, a large height must be selected. It can be assumed that the temperature should be kept as constant as possible over the entire height of the furnace chamber, because only then should it be possible to set an efficient operating state without an excessive increase in NOx emissions. The temperature gradient should, if possible, be significantly smaller than 40K or 40 ° C, in particular at a temperature in the furnace chamber in the range from 1,000 to 1,100 ° C. Such a small temperature gradient also favors optimal coke quality. A temperature maximum well above the average temperature would promote thermal NOx formation. A coke oven can then be operated with a particularly optimal compromise between high output and low NOx emissions, if the temperature distribution is very homogeneous and if the temperature in the entire furnace chamber remains just below the temperature from which thermal NOx formation occurs or is fanned exponentially.
Design-Variationen sind im Koksofenbau mit großem Aufwand verbunden. Die Effekte einzelner Optimierungs-Maßnahmen müssen möglichst kosteneffizient vorhersehbar sein, bevor die Maßnahmen beim Ofenbau umgesetzt werden können. Die Simulation von Betriebszuständen ist ein nützliches Werkzeug, um die Effekte einzelner Optimierungs-Maßnahmen besser einschätzen zu können. Ein Koksofen ist jedoch eine vergleichsweise komplexe Anlage, so dass auch rein computergestützte Simulationen mit entsprechendem Aufwand einhergehen. Beispielsweise kann eine neue Konstruktion mit einer neuen Art und Weise einer Gasführung einen Rechenaufwand (selbst bei den technologischen Möglichkeiten im Jahre 2018) von mehreren Wochen je Berechnung bedeuten, so dass auch bei rein elektronischen/computergestützten Simulationen ein Arbeitsaufwand von mehreren Jahren (bei z.B. über 100 erforderlichen Variationen) entstehen mag. Nicht nur eine Erprobung von neuen Maßnahmen im technischen Maßstab am fertiggestellten Koksofen muss daher unter eingeschränkten Möglichkeiten durchgeführt werden, sondern auch eine einfache konstruktive Maßnahme muss allein aus Kostengründen zunächst unter zahlreichen Aspekten überprüft werden, bevor diese Maßnahme durch Simulationen näher untersucht werden kann. Dies führt dazu, dass konstruktive Variationen an bestehenden Ofen-Designs eher nur auf sehr moderate, konservative Weise angeregt, überprüft und experimentell verifiziert werden.Design variations are associated with great effort in coke oven construction. The effects of individual optimization measures must be predictable as cost-effectively as possible before the measures can be implemented in furnace construction. The simulation of operating states is a useful tool to better assess the effects of individual optimization measures. A coke oven, however, is a comparatively complex system, so that even purely computer-aided simulations require a corresponding effort. For example, a new design with a new type of gas routing can mean a computational effort (even with the technological possibilities in 2018) of several weeks per calculation, so that even with purely electronic / computer-aided simulations, a workload of several years (e.g. over 100 required variations). Not only must new measures be tested on a technical scale on the completed coke oven with limited possibilities, but also a simple constructive measure must first be checked under numerous aspects for cost reasons before this measure can be examined in more detail by simulations. As a result, constructive variations on existing furnace designs are only stimulated, checked and experimentally verified in a very moderate, conservative way.
Bisher direkt am Koksofen bzw. an dessen konstruktivem Aufbau erprobte Maßnahmen, die auch bei leistungsoptimierter Betriebsart effektiv sein sollen, sind üblicherweise die interne druckdifferenzgetriebene bzw. durch Temperatur- und Dichteunterschiede getriebene Rauchgasrückführung aus dem abwärts in den aufwärts durchströmten Heizzug (interne Kreislaufführung eines Teilvolumenstroms des Rauchgases, so genannter Kreisstrom), und/oder die Stufung der Verbrennungsluft, also das Einleiten von Verbrennungsgas aus Trennwänden bzw. Binderwänden in unterschiedlichen Höhenpositionen hinein in die Heizzüge. Das Stufen der Verbrennungsluft erfolgt dabei insbesondere in Hinblick auf folgende Kriterien: die maximale Gassammelraumtemperatur in der benachbarten Ofenkammer oberhalb der Kohlecharge muss/sollte z.B. kleiner 820°C sein; die Deckenoberflächentemperatur muss z.B. möglichst kleiner gleich 65°C sein; die Ofenkammerwandinnentemperaturdifferenz muss z.B. kleiner gleich 40K sein, insbesondere zwischen den Höhenpositionen 500mm oberhalb der Ofensohle/Brennerebene und 500mm unterhalb der Ofenkammeroberkante.Measures that have so far been tried and tested directly on the coke oven or on its structural design, which should also be effective in the performance-optimized operating mode, are usually the internal pressure difference-driven or temperature and density differences-driven flue gas return from the downward into the upward flow of the heating flue (internal circulation of a partial volume flow of the Flue gas, so-called circulating flow), and / or the gradation of the combustion air, i.e. the introduction of combustion gas from partition walls or binder walls in different height positions into the heating flues. The staging of the combustion air takes place in particular with regard to the following criteria: the maximum gas collecting space temperature in the adjacent furnace chamber above the coal charge must / should e.g. be less than 820 ° C; the ceiling surface temperature must e.g. be less than or equal to 65 ° C if possible; the temperature difference inside the furnace chamber wall must e.g. be less than or equal to 40K, in particular between the height positions 500mm above the furnace base / burner level and 500mm below the upper edge of the furnace chamber.
Eine Kreisstromführung (teilweise an nur einem Ende des Heizkanals oder vollumfänglich im Kreis) wird dabei üblicherweise in so genannten Zwillingsheizzügen realisiert. Paarweise nebeneinander angeordnete Heizzüge bzw. Heizkanäle, insbesondere in vertikaler Ausrichtung, werden aneinander gekoppelt, indem das Gas aus dem beflammten Heizkanal in den nicht beflammten Heizkanal zurückgeführt wird, sei es nur an einem oberen/unteren Umkehrpunkt, oder sei es sowohl oben als auch unten. Bei einem Horizontalkammerofen können in Ausdrückrichtung gesehen in Reihe nebeneinander ca. 24 bis 48 Heizkanäle vorgesehen sein, also ca. 12 bis 24 Zwillingspaare. Ein optional realisierbarer Kreisstrom kann sich dabei aufgrund der Druckdifferenzen autonom ausbilden, also allein aufgrund von Temperatur- und Dichteunterschieden in den beiden jeweiligen Zwillingsheizzügen, also ohne zusätzliche aktive strömungstechnische Regelung oder Unterstützung. Anders ausgedrückt: Konstruktive Design-Variationen sind auch durch das sensible (thermische) Gleichgewicht eingeschränkt, welches mittels Druckdifferenzen realisiert werden muss.Circulating current (partially at only one end of the heating channel or completely in a circle) is usually implemented in so-called twin heating flues. Heating flues or heating channels arranged in pairs next to one another, in particular in a vertical orientation, are coupled to one another in that the gas is returned from the flamed heating channel into the non-flamed heating channel, be it only at an upper / lower reversal point, or be it both above and below. In the case of a horizontal chamber furnace, approximately 24 to 48 heating channels can be provided in a row next to one another, i.e. approximately 12 to 24 pairs of twins, as seen in the push-out direction. An optionally realizable circulating current can develop autonomously due to the pressure differences, i.e. solely due to temperature and density differences in the two respective twin heating flues, i.e. without additional active flow control or support. In other words: Constructive design variations are also limited by the sensitive (thermal) equilibrium, which has to be achieved by means of pressure differences.
Das Optimieren einer Kreisstromführung insbesondere auch zwecks homogener Wärmeverteilung begann schon in den 1920er Jahren im industriellen Maßstab. Seit den 1970er Jahren wurden auch die Einflüsse der Kreisstromführung auf NOx-Emissionen eingehender/systematischer untersucht.The optimization of circulating current, especially for the purpose of homogeneous heat distribution, began as early as the 1920s on an industrial scale. Since the 1970s, the effects of circulating current flow on NOx emissions have also been examined in more detail / systematically.
In paarweisen Heizkanälen (Zwillingsheizzügen) muss die mittlere Düsenstein-Temperatur kontrolliert bzw. limitiert werden, und muss insbesondere durch Absenken der lokalen Flammentemperatur (bei Starkgasbeheizung über 2000°C, bei Mischgasbeheizung unter 2000°C) auf einem moderaten Niveau gehalten werden (z.B. bei einer Düsenstein-Temperatur von 1240 bis 1300°C). Effekt: Kontrolle der NOx-Emissionen. Die Flammentemperatur bei Mischgasbeheizung liegt dabei z.B. in einem Bereich von 1.500 bis 1.700°C, insbesondere bei etwa 1.600°C.In paired heating ducts (twin heating flues), the mean nozzle stone temperature must be controlled or limited, and must be kept at a moderate level (e.g. by lowering the local flame temperature (with high-gas heating above 2000 ° C, with mixed gas heating below 2000 ° C) a nozzle stone temperature of 1240 to 1300 ° C). Effect: control of NOx emissions. The flame temperature with mixed gas heating is e.g. in a range from 1,500 to 1,700 ° C, in particular at about 1,600 ° C.
Beispielsweise kann die folgende Anordnung (Höhenposition) eines unteren Durchlasses zwischen paarweisen Heizkanälen genannt werden: zwischen 0mm (also direkt auf dem Niveau der Brennerebene) bis 300mm oberhalb der Brennerebene. Dabei wird die Querschnittsfläche des Durchlasses üblicherweise durch eine Lagenhöhe (bzw. Breite der Lage) von ca. 110mm bis 150mm vorgegeben. Der untere Durchlass kann bei Bedarf in der Anordnung am Boden mittels einer Rolle verschlossen werden, welche auf der Brennerebene vor den Durchlass gerollt werden kann. Vorteilhafterweise wird der Durchlass mittels einer Aussparung in einer Wandlage realisiert (Lücke bzw. fehlender Stein). Sofern in der vorliegenden Beschreibung von einem einzigen Durchlass die Rede ist, kann auch ein Paar von Durchlässen gemeint sein, welche paarweise in derselben Höhenposition angeordnet sind.For example, the following arrangement (height position) of a lower passage between paired heating channels can be mentioned: between 0mm (i.e. directly at the level of the burner level) to 300mm above the burner level. The cross-sectional area of the passage is usually specified by a layer height (or width of the layer) of approx. 110mm to 150mm. If necessary, the lower passage can be closed in the arrangement on the floor by means of a roller, which can be rolled on the burner level in front of the passage. The passage is advantageously realized by means of a recess in a wall layer (gap or missing stone). If a single passage is mentioned in the present description, a pair of passages can also be meant which are arranged in pairs in the same height position.
Als Brennerebene ist dabei das Höhenniveau zu verstehen, auf welchem die Einmündung der Einlässe in den Heizzug konstruktiv vorgesehen ist, und ausgehend von welchem Höhenniveau optional durch verlängerte Einlass-Düsen eine Höhenvariation in gewissen Grenzen realisierbar ist, insbesondere bis 1.000mm oberhalb der Brennerebene. Davon abgegrenzt werden können Ofen-Typen, welche als Stufengas-Öfen bezeichnet werden, und bei welchen wenigstens ein Einlass erst in einer Höhe deutlich über 1.000mm oberhalb der Brennerebene vorgesehen ist.The burner level is to be understood as the height level at which the inlet of the inlets into the heating flue is structurally provided, and based on which height level a height variation can optionally be realized within certain limits by means of extended inlet nozzles, in particular up to 1,000mm above the burner level. This can be distinguished from furnace types which are referred to as step gas furnaces, and in which at least one inlet is only provided at a height well over 1,000 mm above the burner level.
Die Höhenposition eines unteren Durchlasses oder eines Paars von unteren Durchlässen kann dabei auch bis zu einer Höhe von 1.000mm oberhalb der Brennerebene angeordnet sein.The height position of a lower passage or a pair of lower passages can also be arranged up to a height of 1,000 mm above the burner level.
Die Höhenposition eines unteren Durchlasses oder eines Paars von unteren Durchlässen kann dabei auch unterhalb der Brennerebene angeordnet sein, insbesondere bis zu 500mm unterhalb der Brennerebene.The height position of a lower passage or a pair of lower passages can also be arranged below the burner level, in particular up to 500mm below the burner level.
Ein üblicherweise zurück in den beflammten Heizkanal geführter Teilvolumenstrom des Rauchgases beträgt bei Starkgasbeheizung
Wie zuvor angedeutet, kann auch eine Stufung der Verbrennung erfolgen, indem Gas bzw. Luft über wenigstens einen Stufenluftkanal in wenigstens einer Höhenposition über der Brennerebene (Boden) in den jeweiligen Heizzug geleitet wird, bzw. entsprechendes Abgas ausgeleitet wird. Die gestufte Verbrennung ist mit der Kreisstromführung kombinierbar.As previously indicated, the combustion can also be staggered, in that gas or air is fed into the respective heating flue via at least one step air duct in at least one height position above the burner level (floor), or corresponding exhaust gas is discharged. The staged combustion can be combined with the circulating current flow.
Werden speziell die Maßnahmen direkt am Koksofen betrachtet, also Maßnahmen zum wärmetechnischen Optimieren insbesondere durch eine optimierte Art und Weise der Medienführung, so ist der konstruktive Aufbau des Koksofens und damit einher gehend auch die Stabilität des Koksofens von großer Relevanz, insbesondere der konstruktive Aufbau der einzelnen Wände einer jeweiligen Ofenkammer und des jeweiligen Heizzuges (Läuferwände, Trennwände). Kleine Maßnahmen am konstruktiven Aufbau können große Effekte auf das Temperaturgleichgewicht und den Verkokungsprozess haben. Jede Maßnahme hat jedoch auch gegebenenfalls sehr nachteilige, zu vermeidende Nebeneffekte, z.B. auf die Statik der Heizwände, auf den Strömungswiderstand, oder die sich letztendlich einstellenden Strömungsgeschwindigkeiten und Temperaturprofile. Es ist daher zu erwarten, dass Änderungen an dem im Folgenden näher beschriebenen Aufbau nur in einem engen Toleranzbereich durchgeführt werden können. Insbesondere steht der Fachmann dabei auch vor der Aufgabe, durch neue Maßnahmen keine Schwächung des Heizwandverbundes zu riskieren. Denn auf jede Wand können je nach Betriebszustand hohe Lateralkräfte wirken. Beispielsweise entsteht nach etwa 75% der Garungszeit ein hoher lateraler Innendruck (Treibdruck der Kohlecharge) insbesondere auf Läuferwände mit einem Druckmaximum in einer Höhe von ca. 1m über der Brennerebene, welcher Treibdruck sogar dazu führen kann, dass sich Fugen im Mauerwerk der Trennwand zur Ofenkammer aufweiten, möglicherweise auch mit dem Effekt, dass ungewünschte Bypass-Strömungen (in Verbindung mit Koksofengasübertritten und der damit einhergehenden CO-Bildung) zwischen einzelnen Heizzügen und (benachbarten) Ofenkammern entstehen. Auch das Gleichgewicht des Gasgemisches wird dadurch gestört; insbesondere steht für zusätzliche im Heizkanal zu verbrennenden Gasmengen nur eine unzureichend hohe Luftmenge zur Verfügung. Auch führen unterschiedliche Befüllungszeitpunkte, beispielsweise jeweils versetzt um mehrere Stunden, bei den benachbarten Ofenkammern zu unterschiedlichen Lateralkräften in den jeweiligen Wänden. Die Stabilität des Ofens hat daher auch bei den zuvor geschilderten erforderlichen Maßnahmen zur Reduktion der Emissionen eine hohe Priorität. Hohe Stabilität wird üblicherweise durch eine Nut-Feder-Anordnung der Steine erzielt. Diese gleichzeitig sehr flexible Bauweise wird auch in Hinblick auf Dichtigkeit zur Vermeidung von Bypass-Strömungen und Vorverbrennung bevorzugt. Der Fachmann hat keinen Anlass, von einer möglichst flexiblen und gleichzeitig auch maximal stabilen robusten Bauweise ohne besonderen Anlass abzuweichen.If the measures taken directly on the coke oven are specifically considered, i.e. measures to optimize thermal engineering, in particular through an optimized manner of media routing, then the structural design of the coke oven and the associated stability of the coke oven are of great relevance, especially the structural design of the individual Walls of a respective furnace chamber and the respective heating flue (rotor walls, partition walls). Small measures on the structural design can have major effects on the temperature equilibrium and the coking process. However, every measure also has possibly very disadvantageous side effects to be avoided, for example on the statics of the heating walls, on the flow resistance, or the flow velocities and temperature profiles that ultimately arise. It is therefore to be expected that changes to the structure described in more detail below can only be made within a narrow tolerance range. In particular, the person skilled in the art is also faced with the task of not risking any weakening of the heating wall assembly through new measures. Because, depending on the operating status, high lateral forces can act on every wall. For example, after about 75% of the cooking time, there is a high lateral internal pressure (driving pressure of the charcoal charge), especially on the rotor walls, with a pressure maximum at a height of approx. 1 m above the burner level, which driving pressure can even lead to joints in the masonry of the partition wall to the furnace chamber expand, possibly with the effect that undesired bypass flows (in connection with coke oven gas overflow and the associated CO formation) arise between individual heating flues and (neighboring) oven chambers. The equilibrium of the gas mixture is also disturbed as a result; in particular, only an insufficiently high amount of air is available for additional gas quantities to be burned in the heating duct. Different filling times, for example each offset by several hours, also lead to different lateral forces in the respective walls in the adjacent furnace chambers. The stability of the furnace is therefore a high priority for the measures required to reduce emissions outlined above. High stability is usually achieved by a tongue and groove arrangement of the stones. This construction, which is very flexible at the same time, is also preferred in terms of tightness in order to avoid bypass flows and pre-combustion. The person skilled in the art has no reason to deviate from a robust construction that is as flexible as possible and at the same time as stable as possible without any particular reason.
Bei einer Batterie mit mehreren Ofenkammern, z.B. mindestens 15 bis maximal 90 Ofenkammern, sind die Ofenkammern durch Läuferwände gegenüber gasführenden Heizkanälen abgegrenzt, insbesondere an einer relativ schmaleren Stirnseite des jeweiligen Kanals, insbesondere durch zwei sich entlang der gesamten jeweiligen Ofenkammer erstreckende gegenüberliegende Läuferwände. Die einzelnen Heizkanäle sind dabei durch so genannte Binderwände (Trennwände) voneinander abgeschottet, die sich insbesondere orthogonal zu den beiden Läuferwänden zwischen den Läuferwänden erstrecken. Eine Binderwand schottet zwei Kanäle voneinander ab, bzw. zwei Binderwände schotten ein Zwillingsheizzugpaar von einem benachbarten weiteren Zwillingsheizzugpaar ab. Ein jeweiliger Heizkanal ist also durch zwei Läuferwand-Abschnitte und durch zwei Binderwände abgegrenzt. In der Ausdrückrichtung (Tiefe
Der Begriff „Binderwand“ hat sich im allgemeinen Sprachgebrauch etabliert. In der vorliegenden Beschreibung wird dieser Begriff synonym mit dem Begriff „Trennwand“ verwendet, insbesondere um klarzustellen, dass eine Läuferwand und eine Binderwand/Trennwand in derselben Bauweise hergestellt sein können, nämlich durch jeweils an deren Schmalseite aneinander gereihte Steine. Die „Läuferwand“ eines Horizontalkammerofens kann auch als längs in Ausdrückrichtung angeordnete Längswand beschrieben werden, und die „Binderwand“ kann auch als quer zur Ausdrückrichtung angeordnete Quer(trenn)wand beschrieben werden.The term “truss wall” has established itself in common parlance. In the present description, this term is used synonymously with the term “partition”, in particular to clarify that a runner wall and a truss wall / partition wall can be produced in the same construction, namely by stones lined up on their narrow sides. The “runner wall” of a horizontal chamber furnace can also be described as a longitudinal wall arranged lengthways in the push-out direction, and the “truss wall” can also be described as a transverse (partition) wall arranged transversely to the push-out direction.
An der Unterseite eines jeweiligen Heizkanals sind Verbrennungsluftöffnungen und Mischgasöffnungen vorgesehen, deren Funktion sich je nach Art der Beheizung (Mischgas- oder Kokosofengasbeheizung) wählen bzw. einstellen lässt. An der Unterseite mündet eine Koksofengasöffnung in den Heizkanal. Bei einer Kreisstromführung ist jeweils ein Paar von Heizkanälen über an der Unterseite der Ofenkammern angeordnete Abgasrezirkulationsöffnungen aneinander gekoppelt, so dass ein Zwillingsheizzug mit Kreisstromführung gebildet wird. Der Volumenstrom durch die Abgasrezirkulationsöffnungen kann wahlweise geregelt werden, insbesondere mittels einer am Boden in der Brennerebene angeordneten und dort verlagerbaren Justierrolle. In den Binderwänden sind Stufengas-Kanäle vorgesehen, die an einer oder mehreren Höhenpositionen Verbrennungsluft (Stufengas) in die Ofenkammer einleiten (Luftstufe bzw. Binderwandöffnung). Als ein übliches Verhältnis der in die Ofenkammer eingeleiteten Volumenströme kann genannt werden: ca. 30% durch den bodenseitige Verbrennungslufteinlass, ca. 30% durch den bodenseitigen Mischgaseinlass, und ca. 40% durch den wenigstens einen Stufengaseinlass (Binderwandöffnung). Dieses Verhältnis kann analog auch für das Ausleiten der Gase aus der Ofenkammer eingestellt werden, je nach Leistungsanforderungen.Combustion air openings and mixed gas openings are provided on the underside of each heating channel, the function of which can be selected or adjusted depending on the type of heating (mixed gas or coconut oven gas heating). A coke oven gas opening opens into the heating channel at the bottom. In the case of circulating current routing, a pair of heating channels are coupled to one another via exhaust gas recirculation openings arranged on the underside of the furnace chambers, so that a twin heating duct with circulating current routing is formed. The volume flow through the exhaust gas recirculation openings can optionally be regulated, in particular by means of an adjusting roller arranged on the floor in the burner level and displaceable there. Step gas channels are provided in the truss walls, which feed combustion air (step gas) into the furnace chamber at one or more height positions (air step or truss wall opening). A common ratio of the volume flows introduced into the furnace chamber can be mentioned: approx. 30% through the combustion air inlet on the floor, approx. 30% through the mixed gas inlet on the floor, and approx. 40% through the at least one step gas inlet (binder wall opening). This ratio can also be set for the discharge of the gases from the furnace chamber, depending on the performance requirements.
Oberhalb vom Abgas-Wendepunkt (Rezirkulations-Durchlass) kann zum Anpassen von Verkokungsparametern eine Bypassströmung in der Art eines Beheizungsdifferentials ausgebildet werden. Die Bypassströmung kann über eine insbesondere horizontale Wand bzw. Decke von den Heizzügen abgeschottet sein, in welcher Decke Durchlässe vorgesehen sind, die beispielsweise mittels Schiebersteinen abgedeckt oder bzgl. des Querschnitts eingestellt werden können.Above the exhaust gas inflection point (recirculation passage), a bypass flow in the form of a heating differential can be formed in order to adapt coking parameters. The bypass flow can be sealed off from the heating flues via a particularly horizontal wall or ceiling, in which ceiling passages are provided that can be covered, for example, by means of slide blocks or adjusted with regard to the cross section.
Die zuvor genannte Veröffentlichung von K. WESSIEPE betrachtet insbesondere auch Maßnahmen an Öfen mit Zwillingsheizzügen, wobei in den 90er Jahren auch bereits herausgearbeitet wurde, dass die so genannte Kreisstrom-Anordnung Vorteile hinsichtlich einer möglichst niedrigen NOx-Konzentration liefern kann.The aforementioned publication by K. WESSIEPE also considers measures on ovens with twin heating flues, although it was already worked out in the 1990s that the so-called circulating current arrangement can provide advantages with regard to the lowest possible NOx concentration.
Als Stand der Technik können die Patentschriften
In der Offenlegungsschrift
Auch wurde bereits mit einer bestimmten Art von Gasleit-Komponenten oder Füllkörpern experimentiert, um Einfluss auf die Wärmeverteilung im Koksofen nehmen zu können. Beispielsweise in der Patentschrift
Auch mit bestimmten Beschichtungen zum effektiven Ableiten oder Rückstrahlen von Wärmeenergie von inneren Oberflächen wurde bereits experimentiert.Experiments have also been made with certain coatings to effectively dissipate or reflect heat energy from internal surfaces.
Die zuvor beschriebenen Maßnahmen direkt am oder im Koksofen bzw. Heizzug können hier als primäre Maßnahmen bezeichnet werden, also Maßnahmen, die den primären NOx-Bildungsmechanismen im Heizzug entgegen wirken sollen (insbesondere interne Rauchgasrückführung bzw. Kreisstrom, Stufung der Verbrennungsluft). Bei allen zuvor beschriebenen Maßnahmen muss beachtet werden, dass die hier beschriebenen Öfen üblicherweise bei Selbstzündung (insbesondere bei über 800°C) betrieben werden, so dass die entsprechende Maßnahme zum Kühlen oder Absenken der Gastemperatur nur unter engen Randbedingungen bzw. nur in einem engen Temperaturbereich erfolgen kann, insbesondere um zu vermeiden, dass die Verbrennung erlischt.The measures described above directly on or in the coke oven or heating flue can be referred to here as primary measures, i.e. measures that are intended to counteract the primary NOx formation mechanisms in the heating flue (in particular internal flue gas recirculation or circulating flow, grading of the combustion air). With all the measures described above, it must be noted that the furnaces described here are usually operated with self-ignition (especially at over 800 ° C), so that the corresponding measure for cooling or lowering the gas temperature only under narrow boundary conditions or only in a narrow temperature range can take place, in particular to avoid the burn going out.
Ferner wurden auch bereits so genannte sekundäre Maßnahmen erprob, die stromab vom Koksofen in nachgeschalteten Anlagenkomponenten durchgeführt werden können, beispielsweise durch Verwendung selektiver Katalysatoren im Kamin (SCR oder DeNOx) zur Reduzierung des NOx-Anteiles im Rauchgas vor dessen Evakuierung in die Atmosphäre, oder die externe Rückführung bereits evakuierten Rauchgases aus dem Kamin zurück in den Koksofen. Unabhängig davon, wie effektiv diese nachgeschalteten Maßnahmen sind, scheitern sie in vielen Fällen an extrem hohen Kosten (bis zu 50% der Gesamtinvestition für den gesamten Koksofen) oder am zusätzlichen Wartungsaufwand. Diese Maßnahmen sind zwar effektiv, jedoch in vielen Fällen zu kostspielig.Furthermore, so-called secondary measures have already been tried out, which can be carried out downstream of the coke oven in downstream system components, for example by using selective catalysts in the chimney (SCR or DeNOx) to reduce the NOx content in the flue gas before it is evacuated into the atmosphere, or the external recirculation of already evacuated flue gas from the chimney back into the coke oven. Regardless of how effective these downstream measures are, in many cases they fail because of extremely high costs (up to 50% of the total investment for the entire coke oven) or because of additional maintenance costs. While these measures are effective, in many cases they are too costly.
Ferner kann die Patentanmeldung
Nicht zuletzt sind auch Maßnahmen chemischer, reaktiver Art wie z.B. das Einleiten von CH4-Gas oder das Erhöhen der Feuchtigkeit durch Einspritzen von Wasser oder die Ammoniakeinspeisung erwogen worden. Das Einspritzen von Wasser oder Dampf ist jedoch nicht an beliebigen Stellen der Ofenkammer möglich, sondern insbesondere nur zentral auf einer mittleren Höhenposition; diese Maßnahme hat zudem auch nachteilige Effekte auf die verwendeten (Silikat-)Materialien. Eine Erhöhung der regenerativen Vorwärmtemperatur von Gas und Luft ist eine Maßnahme, die mittlerweile als ausgereizt und unökonomisch erachtet wird.Last but not least, measures of a chemical, reactive nature such as introducing CH4 gas or increasing the humidity by injecting water or injecting ammonia have been considered. The injection of water or steam is not possible at any point in the furnace chamber, but in particular only centrally at a middle height position; this measure also has adverse effects on the (silicate) materials used. Increasing the regenerative preheating temperature of gas and air is a measure that is now considered to be exhausted and uneconomical.
Im Jahr
Trotz der zuvor geäußerten Bedenken ist die vorliegende Erfindung auf die Optimierung von Koksöfen durch Maßnahmen direkt am Koksofen bzw. an dessen konstruktivem Aufbau ausgerichtet, insbesondere durch Maßnahmen am etablierten Beheizungssystem mit Heizzügen mit wenigstens einer Rezirkulationsöffnung, insbesondere mit Kreisstromführung, insbesondere um möglicherweise die Option zu schaffen, den Koksofen bei leistungsoptimierter Betriebsart auch ganz ohne nachgeschaltete Anlagenkomponenten betreiben zu können (ausschließlich interne, primäre Maßnahmen zur NOx-Minderung). Hierin kann eventuell ein großes Verbesserungspotential erhofft werden, mit großen Vorteilen auch für die Ofenbetreiber, und damit auch mit guten Chancen für eine Durchsetzung des technischen Konzeptes am Markt.Despite the concerns expressed above, the present invention is aimed at optimizing coke ovens by measures directly on the coke oven or on its structural design, in particular by measures on the established heating system with heating flues with at least one recirculation opening, in particular with circulating current flow, in particular in order to possibly give the option manage to operate the coke oven in a performance-optimized operating mode without any downstream system components (only internal, primary measures to reduce NOx). A great potential for improvement can be hoped for here, with great advantages also for the furnace operator, and thus also with good chances for the technical concept to be implemented on the market.
Bisherige Maßnahmen zielen vornehmlich auf die Absenkung von überproportional hoher NO-Bildung bei Koksofengasbeheizung ab, also bei Beheizung mit purem Koksofengas (nicht mit Mischgas) - bei Mischgasbeheizung sind diese Maßnahmen möglicherweise tendenziell weniger effektiv. Viele dieser Maßnahmen wirken sich möglicherweise sogar negativ auf die NOx-Bildung bei Mischgasbeheizung aus. Previous measures are primarily aimed at lowering the disproportionately high NO formation when heating coke oven gas, i.e. when heating with pure coke oven gas (not with mixed gas) - with mixed gas heating, these measures may tend to be less effective. Many of these measures may even have a negative effect on NOx formation when heating with mixed gas.
Üblicherweise werden Kokereianlagen jedoch vorrangig durch Mischgasbeheizung betrieben; schätzungsweis ist die Mischgasbeheizung in mehr als 90% der Anwendungsfälle bzw. in mehr als 90% der Betriebsdauer die dominierende Beheizungsmethode (Koksofengasbeheizung z.B. nur in Notsituationen oder bei Wartungsarbeiten). Theoretisch müssten daher die auf die Koksofengasbeheizung gerichteten Maßnahmen ca. 10fach effektiver sein als eine Maßnahme für die Mischgasbeheizung, um über die Lebensdauer des Ofens in der Summe dieselbe NOx-Einsparung zu ermöglichen. Viele auf die Koksofengasbeheizung gerichtete Maßnahmen haben zudem den Nachteil erhöhter Druckverluste im Ofen, was dazu führt, dass bei der Anlagenplanung eine Unterdruckquelle mit erhöhter Leistung eingeplant werden muss.Usually, however, coking plants are primarily operated by mixed gas heating; It is estimated that mixed gas heating is the dominant heating method in more than 90% of the applications or in more than 90% of the operating time (coke oven gas heating, e.g. only in emergency situations or during maintenance work). Theoretically, measures aimed at coke oven gas heating should therefore be around 10 times more effective than measures for mixed gas heating in order to enable the same total NOx savings over the life of the oven. Many measures aimed at coke oven gas heating also have the disadvantage of increased pressure losses in the oven, which means that a negative pressure source with increased power must be included in the system planning.
Auch jüngere Maßnahmen zur Absenkung von überproportional hoher NO-Bildung betreffen bisher vornehmlich die Koksofengasbeheizung. Daher besteht Interesse an einer NOx-bezogenen Optimierung bestehender Beheizungsmethoden sowie des Heizzugdesigns speziell für die bisher in vielen Fällen weniger beachtete Beheizungsmethode der Mischgasbeheizung. Dabei können freilich zunächst einmal die bekannten primären NOx-Minderungstechnologien berücksichtigt werden.Even more recent measures to reduce disproportionately high NO formation have so far mainly concerned coke oven gas heating. There is therefore interest in a NOx-related optimization of existing heating methods as well as the heating flue design especially for the heating method of mixed gas heating, which has so far been neglected in many cases. The known primary NOx reduction technologies can of course be taken into account first of all.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Koksofenvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Koksofenvorrichtung bereit zu stellen, womit NOx-Emissionen speziell für die Mischgasbeheizung gering gehalten werden können bzw. bei bestehenden oder neuen Anlagen auch bei Betrieb unter Volllast minimiert werden können, wobei die Koksofenvorrichtung ein vorteilhaft niedriges NOx-Emissionsniveau bevorzugt ohne nachgeschaltete Anlagenkomponenten ermöglichen soll. Insbesondere ist es Aufgabe, eine Koksofenvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Koksofenvorrichtung bereit zu stellen, womit sich die NOx-Emissionen speziell bei Mischgasbeheizung durch Maßnahmen intern in den Heizzügen verringern lassen, insbesondere ausschließlich durch interne primäre Maßnahmen. Bevorzugt sollen derlei Maßnahmen speziell für die Mischgasbeheizung nur minimal größere Druckverluste erfordern; insbesondere sollen etwaige durch diese Maßnahmen erforderliche Druckverlustzunahmen im Ofen in einem unkritischen Bereich von weniger als 50Pa liegen. Letztlich sollen derlei Maßnahmen speziell für die Mischgasbeheizung möglichst auch kompatibel mit etwaigen Maßnahmen für die Koksofengasbeheizung sein, oder zumindest die Betriebsart der Koksofengasbeheizung nicht in besonderem Maße negativ beeinflussen, auch wenn die Koksofengasbeheizung nur zu einem geringen Anteil der jährlichen Betriebsdauer erfolgt. Dies würde eine vergleichsweise flexible Betriebsweise ermöglichen, also einen sehr variablen Ofen für ein breites Aufgabenspektrum .The object of the invention is to provide a coke oven device and a method for operating the coke oven device, with which NOx emissions can be kept low, especially for mixed gas heating, or can be minimized in existing or new systems even when operating at full load, the coke oven device should enable an advantageously low NOx emission level, preferably without downstream system components. In particular, the object is to provide a coke oven device and a method for operating the coke oven device, with which the NOx emissions can be reduced, especially in the case of mixed gas heating, by internal measures in the heating flues, in particular exclusively by internal primary measures. Such measures should preferably only require minimally greater pressure losses, especially for mixed gas heating; In particular, any increases in pressure loss in the furnace that are required by these measures should be in a non-critical range of less than 50 Pa. Ultimately, such measures, especially for mixed gas heating, should also be compatible with any measures for coke oven gas heating, or at least not have a particularly negative impact on the operating mode of coke oven gas heating, even if coke oven gas heating only takes place for a small proportion of the annual operating time. This would enable a comparatively flexible mode of operation, i.e. a very variable furnace for a wide range of tasks.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Koksofenvorrichtung zum Herstellen von Koks durch Verkokung von Kohle oder Kohlemischungen zumindest bei Mischgasbeheizung und wahlweise auch bei zeitweiser Koksofengasbeheizung, wobei die Koksofenvorrichtung eingerichtet ist zur minimierten Stickoxidemission durch internen thermischen Energieausgleich mittels stahlwerkseigener Gase (insbesondere Hochofen-originärer Gase) und koksofeneigener Gase
Erfindungsgemäß sind Verbrennungsluft-Einlass und Mischgas-Einlass in y-Richtung vergleichsweise weit voneinander beabstandet angeordnet, wobei ein relativer Mindestabstand bezüglich der gesamten y-Erstreckung des jeweiligen Heizkanals definiert wird. Erfindungsgemäß wird ferner ein absoluter Mindestabstand definiert (y1min = 50mm). Dies ermöglicht jeweils eine vorteilhafte Einflussnahme auf das Temperatur- und Strömungsprofil. Der Mindestabstand
Die absolute Position des Mischgas-Einlasses kann dabei z.B. auch durch einen Minimalabstand zu den Läuferwänden in y- Richtung definiert werden, und/oder durch einen Minimalabstand zu den Trennwänden, insbesondere z.B. > 10mm zwischen Außenkante Mischgasöffnung und Innenkante Trennwand (Binderwand). Der Abstand zwischen Mischgasöffnung und Koksofengasdüse (relative Position) kann dabei in x-Richtung insbesondere mindestens 100mm betragen.The absolute position of the mixed gas inlet can e.g. can also be defined by a minimum distance to the runner walls in the y-direction, and / or by a minimum distance to the partition walls, in particular e.g. > 10mm between the outer edge of the mixed gas opening and the inner edge of the partition wall (binder wall). The distance between the mixed gas opening and the coke oven gas nozzle (relative position) can be in particular at least 100 mm in the x direction.
Erfindungsgemäß hat sich gezeigt, dass eine ökonomisch günstige Prozesstemperatur oberhalb von 1.250°C und damit eine hohe Anlagenleistung bei gleichzeitiger Einhaltung der oben beschriebenen strengen Grenzwerte basierend auf geometrischen Maßnahmen am Boden der Heizzüge mit gutem Effekt sichergestellt werden kann. Dabei kann auch eine etwaige Zunahme von Druckverlusten in vergleichsweise moderaten Grenzen gehalten werden. Durch die erfindungsgemäße relative bzw. absolute Positionierung des Mischgaseinlasses kann dabei auch auf besonders effektive Weise die gewünschte Temperaturverteilung realisiert werden.According to the invention, it has been shown that an economically favorable process temperature above 1,250 ° C. and thus a high system performance while maintaining the strict limit values described above based on geometric measures at the bottom of the heating flues can be ensured with good effect. Any increase in pressure losses can also be kept within comparatively moderate limits. Due to the relative or absolute positioning of the mixed gas inlet according to the invention, the desired temperature distribution can also be realized in a particularly effective manner.
Die bisher aufgrund des geringen Wasserstoffanteils als weniger kritisch erachtete Verbrennung von Mischgasen war bisher noch nicht Hauptgegenstand von stickoxidreduzierenden Weiterentwicklungen bei vertikalen Heizkanaldesigns bei Verbund-Koksöfen. Die Betriebsweise unter Mischgas-Beheizung betrifft jedoch oftmals einen beträchtlichen Anteil der absoluten Betriebsdauer eines Ofens. Erfindungsgemäß können besonders vorteilhafte NOx-reduzierende Effekte speziell bei der Mischgasbeheizung realisiert werden.The combustion of mixed gases, which was previously considered less critical due to the low hydrogen content, has not yet been the main subject of nitrogen oxide-reducing further developments in vertical heating duct designs in composite coke ovens. The mode of operation with mixed gas heating, however, often affects a considerable proportion of the absolute operating time of a furnace. According to the invention, particularly advantageous NOx-reducing effects can be implemented especially in the case of mixed gas heating.
Eine Vergrößerung des absoluten Abstandes der Austrittspositionen für die Verbrennungsmedien „Bodenluft“ und Mischgas“ insbesondere im Zusammenhang mit einem relativen Mindestabstand bezüglich der gesamten Erstreckung des Heizkanals in y-Richtung ermöglicht insbesondere eine Auslegung des Ofens unabhängig von den jeweils spezifischen Volumina oder Leistungsbereichen des Ofens.An increase in the absolute distance between the outlet positions for the combustion media "bottom air" and mixed gas ", particularly in connection with a relative minimum distance with respect to the entire extension of the heating channel in the y-direction, enables the furnace to be designed independently of the specific volumes or power ranges of the furnace.
Was die jeweilige Funktion der einzelnen Einlässe betrifft, so kann diese auch in Hinblick auf unterschiedliche Betriebsarten beschrieben werden: Für einen mit einem Stahlwerk verbundenen Verbundofen sind bei Mischgasbeheizung am Heizzugboden zwei Öffnungen bzw. Einlässe vorgesehen, nämlich ein Einlass für Mischgas und ein Einlass für (Verbrennungs-)Luft. Für einen Verbundofen unter Koksofengasbeheizung werden die Mischgaskanäle ebenfalls mit Luft beaufschlagt. Für einen Ofen, welcher für ausschließlich Koksofengasbeheizung konstruiert ist (so genannter Starkgasofen), wird nur ein Luft-Einlass benötigt (kein Mischgas-Einlass). Letztere konstruktive Ausgestaltung ist eher als Sonderfall zu verstehen.As far as the respective function of the individual inlets is concerned, this can also be described in terms of different modes of operation: For a composite furnace connected to a steelworks, two openings or inlets are provided on the boiler floor when mixed gas is heated, namely an inlet for mixed gas and an inlet for ( Combustion) air. For a composite furnace with coke oven gas heating, the mixed gas ducts are also pressurized with air. For a furnace that is designed exclusively for coke oven gas heating (so-called strong gas furnace), only one air inlet is required (no mixed gas inlet). The latter constructive design is to be understood as a special case.
Bei reiner Mischgasbeheizung ist dabei die Anordnung des Koksofengas-Einlasses vergleichsweise unwichtig; die relative Anordnung des Koksofengas-Einlasses kann daher je nach Anwendungsfall mehr oder weniger stark variiert werden, sei es in Längs- und/oder in Querrichtung. Ein sinnvoller Kompromiss hängt dann auch von den zu erwartenden Betriebszeiten bei der jeweiligen Beheizungsart ab. Mittels der erfindungsgemäßen absoluten und relativen Anordnung der Einlässe für Verbrennungsluft und Mischgas kann für einen großen Anteil der absoluten Betriebsdauer für diverse unterschiedliche Ausgestaltungen von Öfen ein guter Kompromiss bei minimierten NOx-Emissionen geliefert werden.In the case of pure mixed gas heating, the arrangement of the coke oven gas inlet is comparatively unimportant; the relative arrangement of the coke oven gas inlet can therefore be varied to a greater or lesser extent depending on the application, be it in the longitudinal and / or in the transverse direction. A sensible compromise then also depends on the expected operating times for the respective type of heating. By means of the absolute and relative arrangement according to the invention of the inlets for combustion air and mixed gas, a good compromise with minimized NOx emissions can be provided for a large proportion of the absolute operating time for various different designs of furnaces.
Ein vergleichsweise großer Abstand der beiden Einlässe für Verbrennungsluft und Mischgas relativ zum Koksofengas-Einlass kann zwar als zweckdienlich oder sogar als optimal unterstellt werden; es hat sich jedoch gezeigt, dass die erfindungsgemäßen Effekte auch weitgehend unabhängig von der relativen Anordnung des Koksofengas-Einlasses realisiert werden können. Dies liefert auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung weitere konstruktive oder prozesstechnische Variablen (bzw. Freiheitsgrade) zur Anpassung eines Ofens an spezifische Anwendungen.A comparatively large distance between the two inlets for combustion air and mixed gas relative to the coke oven gas inlet can be assumed to be useful or even optimal; However, it has been shown that the effects according to the invention can also be implemented largely independently of the relative arrangement of the coke oven gas inlet. In the context of the present invention, this also provides further structural or process-related variables (or degrees of freedom) for adapting a furnace to specific applications.
Beispielsweise wird ein Abstand
Es hat sich gezeigt, dass eine Variation des Abstandes
Die x-Position der Verbrennungsluft- und Mischgas-Einlässe kann dabei insbesondere in Bezug auf deren Mittelpunkte definiert sein. Insbesondere kann wenigstens einer der Verbrennungsluft- und Mischgas-Einlässe, insbesondere dessen Mittelpunkt, exzentrisch in einem x-Abstand größer Faktor 0,8 der absoluten x-Erstreckung des Heizkanals zwischen gegenüberliegenden Läuferwänden angeordnet sein. Dieser Grad der Exzentrizität in x-Richtung kann auch eine vorteilhafte primäre Durchmischung der Gase vor Verbrennung sicherstellen.The x position of the combustion air and mixed gas inlets can in particular be defined in relation to their center points. In particular, at least one of the combustion air and mixed gas inlets, in particular its center point, can be arranged eccentrically at an x distance greater than a factor of 0.8 of the absolute x extension of the heating channel between opposing rotor walls. This degree of eccentricity in the x-direction can also ensure advantageous primary mixing of the gases before combustion.
Als stahlwerkseigene Gase sind dabei die im Zusammenhang mit der Stahlerzeugung stehenden Gase in weiterem Sinne zu verstehen, insbesondere auch so genanntes Konvertergas. Konvertergas wird streng genommen nicht der Roheisenerzeugung im Hochofen zugeordnet, sondern eher der dahinter befindlichen Prozesskette der eigentlichen Stahlerzeugung im Stahlwerk. Unter den Begriff „stahlwerkseigene Gase“ können insbesondere auch Kohlenwasserstoffanteile oder Erdgas subsumiert werden, insbesondere als Mischungs-Bestandteile.Gases produced in the steelworks are to be understood in a broader sense as the gases produced in the steelworks, including what is known as converter gas. Strictly speaking, converter gas is not assigned to pig iron production in the blast furnace, but rather to the underlying process chain of the actual steel production in the steelworks. The term “steel mill's own gases” can in particular also include hydrocarbons or natural gas, in particular as mixture components.
Ein vergleichsweise kleines Verhältnis
Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht z.B. auch vergleichsweise moderate Flammentemperaturen bei vergleichsweise hoher Düsensteintemperatur, insbesondere eine Flammentemperatur bei Mischgasbeheizung von maximal etwa 1.600°C bei einer Düsensteintemperatur von mindestens 1.300°C oder 1.320°C.The arrangement according to the invention enables e.g. also comparatively moderate flame temperatures with a comparatively high nozzle stone temperature, in particular a flame temperature with mixed gas heating of a maximum of about 1,600 ° C with a nozzle stone temperature of at least 1,300 ° C or 1,320 ° C.
Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Anordnung sowohl bei einer konstruktiven Ausgestaltung der Zwillingsheizzüge in der Art einer „Rücken-an-Rücken“-Beheizung (jeweils vertikal gleich ausgerichtete Strömungsrichtung in benachbarten Zwillingsheizzügen) als auch bei einer konstruktiven Ausgestaltung der Zwillingsheizzüge in der Art einer vorwärts gerichteten Durchströmung (vertikal gegenläufige Strömungsrichtung in benachbarten Heizzügen) realisierbar ist. Dabei können bei der „Rücken-an-Rücken“-Beheizung wahlweise ein einzelner unterer Rezirkulationsdurchlass oder mehrere insbesondere paarweise Rezirkulationsdurchlässe vorgesehen sein. Dabei sind bei der vorwärts gerichteten Durchströmung bevorzugt paarweise untere Rezirkulationsdurchlässe vorgesehen.It has been shown that the arrangement according to the invention, both with a structural design of the twin heating flues in the manner of a "back-to-back" heating (in each case vertically identical flow direction in adjacent twin heating flues) and with a structural design of the twin heating flues in the manner a forward flow (vertically opposite flow direction in adjacent heating flues) can be realized. In the case of “back-to-back” heating, a single lower recirculation passage or a plurality of recirculation passages, in particular in pairs, can be provided. In this case, lower recirculation passages are preferably provided in pairs in the forward flow.
Bei der Betriebsart „vorwärtsbrennend“ brennen beispielsweise die Heizzüge mit ungerader Nummer #1, #3, #5, #7, #9,... (n+2), oder nach Beheizungsumstellung brennen die geraden Heizzüge mit den Nummern #2, #4, #6, #8, .... (n+2). Insbesondere ist in jeder Binderwand wenigstens eine Rezirkulationsöffnung vorgesehen. Bevorzugt werden bei dieser Art von Öfen wenigstens zwei untere Rezirkulationsöffnungen vorgesehen, welche den Stufenluftkanal in der Binderwand einfassen bzw. umgrenzen oder umgeben. Es hat sich gezeigt, dass mittels des durch die Rezirkulationsöffnungen strömenden Rauchgases zumindest teilweise eine verbrennungsinerte Zwischenschicht in horizontaler Richtung zu wenigstens einem der eingelassenen Medien (Gas und/oder Luft) gebildet werden kann. Es hat sich gezeigt, dass dadurch die Verbrennung in vertikaler Richtung verzögert werden kann, was sich günstig auf die Temperaturverteilung auswirken kann. Beispielsweise befinden sich in jeder Binderwand wenigstens zwei Rezirkulationsöffnungen pro Lage. Vorzugsweise in einer der untersten fünf Binderwandlagen befindet sich ein erstes Paar Rezirkulationsöffnungen. Insbesondere aus Stabilitätsgründen werden erst in der übernächsten, darüber befindlichen Lage (z.B. Vertikallage Nummer
Bei der Betriebsart „Rücken-an-Rücken“ brennen insbesondere die Heizzüge Nummer #1, #4, #5, #8, #9, ... (beginnend mit 1, wobei n+3/n+1), oder nach der Beheizungsumstellung brennen die Heizzüge Nummer #2, #3, #6, #7, #10, #11, ... (beginnend mit 2, wobei n+1/n+3). Es hat sich gezeigt, dass mittels des durch die Rezirkulationsöffnungen rückströmenden Rauchgases eine verbrennungsinerte Zwischenschicht zu wenigstens einem der eingelassenen Medien (Gas und/oder Luft) gebildet werden kann. Insbesondere ist in jeder zweiten Binderwand wenigstens eine Rezirkulationsöffnung vorgesehen. Beispielsweise ist eine (insbesondere vergleichsweise große) einzelne Rezirkulationsöffnung in der Mitte der Binderwand vorgesehen. Beispielsweise befinden sich Stufenluftkanal und Rezirkulationsöffnung(en) jeweils nur gemeinsam in der entsprechenden Binderwand. Bevorzugt ist in wenigstens einer der darüber befindlichen Wandlagen wenigstens eine weitere Rezirkulationsöffnung vorgesehen.In the “back-to-back” operating mode, heating
Die jeweilige Anordnung des wenigstens einen Rezirkulationsdurchlasses kann dabei weitgehend frei gewählt werden. Wahlweise kann dessen Anordnung relativ zu der Anordnung der weiteren Einlässe definiert werden. Wahlweise kann eine x-Koordinate und/oder eine z-Koordinate für die Anordnung des Mittelpunktes des Rezirkulationsdurchlasses vorgegeben werden. Beispielsweise ist der (unterste) Rezirkulationsdurchlass bzw. sind die (untersten) Rezirkulationsdurchlässe in einer Höhenposition kleiner 2m oberhalb vom Boden angeordnet. Gemäß einer Varianten sind je Höhenposition paarweise Rezirkulationsdurchlässe vorgesehen, insbesondere in symmetrischer Anordnung in Bezug auf die x-Erstreckung des Heizzuges. Beispielsweise sind ein oder zwei Paare von Rezirkulationsdurchlässen in wie Höhenpositionen auf derselben x-Koordinate wie wenigstens einer der Luft- und Mischgaseinlässe angeordnet.The respective arrangement of the at least one recirculation passage can be chosen largely freely. Optionally, its arrangement can be defined relative to the arrangement of the further inlets. Optionally, an x-coordinate and / or a z-coordinate can be specified for the arrangement of the center point of the recirculation passage. For example, the (lowermost) recirculation passage or the (lowermost) recirculation passages are arranged in a height position less than 2 m above the ground. According to one variant, recirculation passages are provided in pairs for each height position, in particular in a symmetrical arrangement with respect to the x-extension of the heating flue. For example, one or two pairs of recirculation passages are arranged in like height positions on the same x-coordinate as at least one of the air and mixed gas inlets.
Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenigstens einen der Luft- und Mischgaseinlässe in einem vergleichsweise kleinen x-Abstand zur nähergelegenen Läuferwand anzuordnen, insbesondere maximal 50mm oder sogar nur maximal 20mm oder 10mm.It has been shown that it is advantageous to arrange at least one of the air and mixed gas inlets at a comparatively small x-distance to the closer wall of the rotor, in particular a maximum of 50 mm or even a maximum of 20 mm or 10 mm.
Ferner hat sich gezeigt, dass die Luft- und Mischgaseinlässe optional vollständig überlappend in x-Richtung angeordnet sein können, also ohne dass ein Versatz realisiert wird, oder ohne dass der geometrisch kleinere Einlass über den geometrisch größeren Einlass in x-Richtung hinausragt. Ferner hat sich gezeigt, dass die Luft- und Mischgaseinlässe optional auch ganz ohne Überlappung in x-Richtung angeordnet sein können, also mit derart großem Versatz, dass eine Überlappung in x-Richtung nicht feststellbar ist.Furthermore, it has been shown that the air and mixed gas inlets can optionally be arranged completely overlapping in the x direction, that is to say without an offset being realized or without the geometrically smaller inlet protruding beyond the geometrically larger inlet in the x direction. Furthermore, it has been shown that the air and mixed gas inlets can optionally also be arranged without any overlap in the x direction, that is to say with such a large offset that an overlap in the x direction cannot be determined.
Insbesondere ist je Heizzug nur einer der hier beschriebenen Typen von Einlässen vorgesehen, also nur ein Verbrennungslufteinlass und nur ein Mischgaseinlass.In particular, only one of the types of inlets described here is provided for each heating flue, i.e. only one combustion air inlet and only one mixed gas inlet.
Ferner hat sich gezeigt, dass die Verbrennungsluft vorzugsweis gestuft zugeführt werden kann, insbesondere zwecks zweistufiger Verbrennung über der gesamten Höhe des jeweiligen Heizzuges. Entsprechende Ausbuchtungen bzw. Einlässe für Stufenluft können je nach Anwendungsfall individuell optimiert angeordnet sein.It has also been shown that the combustion air can preferably be supplied in stages, in particular for the purpose of two-stage combustion over the entire height of the respective heating flue. Corresponding bulges or inlets for step air can be arranged in an individually optimized manner depending on the application.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis
Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand
Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis
Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand
Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand
Erfindungsgemäß wird empfohlen, den Abstand auf eine Obergrenze unterhalb von 400mm zu limitieren.According to the invention, it is recommended to limit the distance to an upper limit below 400mm.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel liegt der Abstand
Bevorzugt ist der Abstand in jedem Heizzug der Koksofenvorrichtung gleich groß. Eine analoge Konstruktion bzw. symmetrische Ausgestaltung hinsichtlich aller Heizzüge hat auch thermische und konstruktive Vorteile.The distance in each heating flue of the coke oven device is preferably the same. An analogous construction or symmetrical design with regard to all heating flues also has thermal and structural advantages.
Ein vergleichsweise großes Verhältnis
Gemäß einem Ausführungsbeispiel definieren die geometrischen Mittelpunkte der Einlässe des jeweiligen Heizzuges und des wenigstens einen unteren koppelnden Durchlasses, insbesondere eines zu Verbrennungsluft- und Mischgas-Einlass entfernteren von mehreren unteren koppelnden Durchlässen, eine Dreieck- oder Viereckanordnung (Vieleckanordnung), deren Flächeninhalt (
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Dreieck- oder Viereckanordnung einen Flächeninhalt (
Die jeweils bevorzugte Unter-/Obergrenze kann dabei auch z.B. von der Ofenkammerhöhe abhängig sein, wie z.B. im Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung näher erläutert wird. Insbesondere kann die Untergrenze bei Ofenkammern mit einer Höhe größer sieben (7) Metern um 100 oder 200cm2 erhöht sein.The respectively preferred lower / upper limit can also be dependent, for example, on the furnace chamber height, as will be explained in more detail in connection with the description of the figures. In particular, the lower limit for furnace chambers with a height greater than seven (7) meters can be increased by 100 or 200 cm 2 .
Eine relative Dreieck- oder Viereckanordnung, mit Eckpunkten definiert durch geometrische Mittelpunkte der Mischgas- und Verbrennungslufteinlässe und des (entfernteren) unteren Rezirkulationsdurchlasses (relative Lage-Geometrie relativ zueinander) liefert auch den Vorteil einer möglichst guten Nutzung des verfügbaren (Brenn-)Raumes, insbesondere derart dass das Mischungsverhältnis der Gase vorteilhaft einstellbar ist. Insbesondere kann bei einem vergleichsweise großen Flächeninhalt eine vorteilhafte Verteilung der Stoff- und Energieströme sichergestellt werden. Insbesondere dank breit verteilter Anordnung der Einlässe auf der verfügbaren Grundfläche kann eine in vertikaler Richtung besonders vorteilhafte (insbesondere stark verzögerte) Verbrennung für die üblichen Beheizungsarten (Mischgas- bzw. Koksofengas-Beheizung) sichergestellt werden.A relative triangular or square arrangement, with corner points defined by geometric centers of the mixed gas and combustion air inlets and the (more distant) lower recirculation passage (relative position geometry relative to one another) also provides the advantage of the best possible use of the available (combustion) space, in particular such that the mixing ratio of the gases can advantageously be set. In particular, an advantageous distribution of the material and energy flows can be ensured with a comparatively large surface area. In particular, thanks to the widely distributed arrangement of the inlets on the available base area, combustion which is particularly advantageous in the vertical direction (in particular strongly delayed) can be ensured for the usual types of heating (mixed gas or coke oven gas heating).
Insbesondere werden die Eckpunkte der Dreieckanordnung durch die geometrischen Mittelpunkte der Mischgas- und Verbrennungslufteinlässe und durch den Mittelpunkt des (entfernteren) unteren Rezirkulationsdurchlasses definiert, also nach innen versetzt in Bezug auf eine Austrittsebene aus der entsprechenden Trennwand.In particular, the corner points of the triangular arrangement are defined by the geometric centers of the mixed gas and combustion air inlets and by the center of the (more distant) lower recirculation passage, i.e. offset inward with respect to an exit plane from the corresponding partition.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind am jeweiligen Boden die den Läuferwänden zugewandten Kanten des Verbrennungsluft-Einlasses und des Mischgas-Einlasses in unterschiedlich großem Abstand
Es hat sich gezeigt, dass die Abstände
Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt der Querschnittsflächeninhalt des Verbrennungsluft-Einlasses und/oder des Mischgas-Einlasses am jeweiligen Boden mindestens 30cm2 oder mindestens 50cm2. Hierdurch kann auch eine Abflachung von Temperaturspitzen weiter begünstigt werden.According to one embodiment, the cross sectional area of the combustion air-inlet and / or the mixed gas inlet of the respective floor at least 30cm or at least 50cm 2 2. This can also further promote a flattening of temperature peaks.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt der Querschnittsflächeninhalt des Verbrennungsluft-Einlasses und/oder des Mischgas-Einlasses maximal 500cm2 oder maximal 400cm2. Diese vergleichsweise großen Flächeninhalte begünstigen auch einen großflächigen Wärmeeintrag.According to one embodiment, the cross-sectional area of the combustion air inlet and / or the mixed gas inlet is a maximum of 500 cm 2 or a maximum of 400 cm 2 . These comparatively large areas also favor a large-area heat input.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die jeweilige Einlass-Querschnittsfläche vergleichsweise groß, insbesondere um einen Faktor
Insbesondere kann dabei auch eine verbindende Öffnung zur Abgas- oder Rauchgas-Strömungsumkehr (Durchlass) mit einem Durchtrittsflächeninhalt von mindestens 500cm2 ausgestaltet sein. Dies ermöglicht nicht zuletzt auch, unerwünschte Druckverlustzunahmen im Heizkanal in einem akzeptablen und auch in ökonomischer Hinsicht vorteilhaften Bereich zu halten, insbesondere bei weniger als 50Pa. Dies erspart nicht zuletzt auch eine verstärkte oder zusätzliche Unterdruckquelle. Anders ausgedrückt: Eine Erhöhung des Abgaskamins und/oder ein zusätzliches Gebläse ist nicht erforderlich.In particular, a connecting opening for the exhaust gas or flue gas flow reversal (passage) can also be configured with a passage area of at least 500 cm 2 . Last but not least, this also makes it possible to keep undesired increases in pressure loss in the heating channel in an acceptable and also economically advantageous range, in particular at less than 50 Pa. Last but not least, this also saves an increased or additional vacuum source. In other words: an increase in the exhaust chimney and / or an additional fan is not necessary.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Querschnittsgeometrie des Verbrennungsluft-Einlasses und/oder des Mischgas-Einlasses rechteckig oder elliptisch oder rund. Die Geometrie kann dabei z.B. auch in Hinblick auf konstruktive Vorgaben oder Stabilitäts-Aspekte optimiert werden. Insbesondere kann auch mittels justierbaren Austrittsöffnungen (Einlässen) für die Gase eine weitere Optimierung vorgenommen werden, insbesondere mittels Schiebersteinen.According to one embodiment, the cross-sectional geometry of the combustion air inlet and / or of the mixed gas inlet is rectangular or elliptical or round. The geometry can e.g. can also be optimized with regard to design specifications or stability aspects. In particular, a further optimization can also be carried out by means of adjustable outlet openings (inlets) for the gases, in particular by means of slide blocks.
Weitere Maßnahmen können weitere vorteilhafte Effekte erzielen. Insbesondere kann basierend auf einer Variation der Position der Einlässe in Hinblick auf eine asymmetrische Anordnung (zumindest für Bodenluft und Mischgas) eine weitere Optimierung erfolgen, z.B. durch nichtparallele Anordnung am Boden in Bezug zur Läuferwand.Further measures can achieve further advantageous effects. In particular, based on a variation in the position of the inlets with regard to an asymmetrical arrangement (at least for soil air and mixed gas), a further optimization can take place, e.g. by non-parallel arrangement on the floor in relation to the runner wall.
Es hat sich gezeigt, dass mittels erfindungsgemäßer Maßnahmen insbesondere bei Mischgasbeheizung eine Absenkung der NOX-Bildung bzw. NOx-Emission im Vergleich zum Istzustand (Stand der Technik) um mind. 15% erzielbar ist. Diese Prozentanteil mag auf den ersten Blick nicht revolutionär hoch erscheinen, kann jedoch einen wirtschaftlichen Betrieb begründen, insbesondere dann, wenn eine wirtschaftliche Funktionsweise aufgrund von Emissions-Vorgaben und aufgrund Einschränkung auf eine bestimmte Maximal-Temperatur bisher nicht möglich war.It has been shown that by means of measures according to the invention, particularly with mixed gas heating, a reduction in NOx formation or NOx emissions by at least 15% compared to the actual state (state of the art) can be achieved. At first glance, this percentage may not seem revolutionary, but it can justify economic operation, especially if economic functionality was previously not possible due to emission requirements and a restriction to a certain maximum temperature.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist am jeweiligen Boden die Querschnittsfläche des Verbrennungsluft-Einlasses und/oder des Mischgas-Einlasses hinsichtlich Geometrie und/oder Größe justierbar ausgeführt, insbesondere mittels wenigstens eines verlagerbaren Schiebersteins und/oder mittels wenigstens einer auswechselbaren / demontierbaren Düse. Hierdurch lassen sich weitere Optimierungen realisieren, insbesondere auch während des Betriebs (Fein-Justage).According to one embodiment, the cross-sectional area of the combustion air inlet and / or the mixed gas inlet is designed to be adjustable in terms of geometry and / or size on the respective floor, in particular by means of at least one displaceable valve block and / or by means of at least one exchangeable / removable nozzle. This allows further optimizations to be implemented, especially during operation (fine adjustment).
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der wenigstens eine obere, die beiden jeweiligen Heizkanäle eines jeweiligen Zwillingsheizzuges im oberen Bereich koppelnde Rezirkulations-Durchlass eingerichtet zur wechselseitigen Überführung von Gasen, wobei der Rezirkulations-Durchlass einen Querschnittsflächeninhalt von mindestens 250cm2 aufweist, insbesondere von maximal 1200cm2 oder maximal 1000cm2. Hierdurch kann eine Optimierung auch dank vergleichsweise großer Durchlass-Öffnungen auf vergleichsweise flexible Weise erfolgen.According to one embodiment, the at least one upper recirculation passage coupling the two respective heating channels of a respective twin heating flue in the upper area is set up for the mutual transfer of gases, the recirculation passage having a cross-sectional area of at least 250 cm 2 , in particular of a maximum of 1200 cm 2 or a maximum of 1000 cm 2 . As a result, optimization can also take place in a comparatively flexible manner thanks to comparatively large passage openings.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die paarweisen Heizkanäle strömungstechnisch mittels wenigstens zwei unteren koppelnden Durchlässen aneinander gekoppelt, wobei der Verbrennungsluft-Einlass zumindest annähernd in derselben x-Position angeordnet ist wie der entsprechende untere koppelnde Durchlass, insbesondere mit dem jeweiligen Mittelpunkt des Verbrennungsluft-Einlasses und des entsprechenden Durchlasses in einer Anordnung auf derselben x-Koordinate. Dies begünstigt auf besonders vorteilhafte Weise eine Durchmischung von Rezirkulations-Gas und Verbrennungsluft, insbesondere vor Verbrennung.According to one embodiment, the paired heating channels are fluidically coupled to one another by means of at least two lower coupling passages, the combustion air inlet being arranged at least approximately in the same x-position as the corresponding lower coupling passage, in particular with the respective center point of the combustion air inlet and the corresponding one Passage in an arrangement on the same x-coordinate. This favors a thorough mixing of the recirculation gas and combustion air, in particular before combustion, in a particularly advantageous manner.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind der Verbrennungsluft-Einlass und der Mischgas-Einlass in x-Richtung versetzt in Bezug auf die gegenüberliegende Läuferwand angeordnet. Diese Variation kann eine gute Durchmischung begünstigen. According to one exemplary embodiment, the combustion air inlet and the mixed gas inlet are arranged offset in the x direction with respect to the opposite rotor wall. This variation can promote good mixing.
Dabei können auch unterschiedliche Geometrien und/oder Querschnittsflächen vorgesehen sein.Different geometries and / or cross-sectional areas can also be provided.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Verbrennungsluft-Einlass weiter innen näher zur gegenüberliegenden Läuferwand hin angeordnet als der Mischgas-Einlass (oder umgekehrt), insbesondere mit einem Abstandsunterschied von mind. 10mm oder mind. 50mm, insbesondere in einem zumindest annähernd mittigen Bereich mittig zwischen den gegenüberliegenden Läuferwänden. Durch einen solchen Versatz in y-Richtung können die Strömungspfade weiter aufgefächert werden.According to one embodiment, the combustion air inlet is arranged further inside closer to the opposite rotor wall than the mixed gas inlet (or vice versa), in particular with a difference in distance of at least 10mm or at least 50mm, in particular in an at least approximately central area centrally between the opposite one Runner walls. Such an offset in the y-direction allows the flow paths to be fanned out further.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Verbrennungsluft-Einlässe und die Mischgas-Einlässe eines Zwillingsheizzuges derart relativ zueinander angeordnet, dass eine die Einlässe verbindende Linie eine Diagonale ist oder sich zumindest annähernd diagonal durch den jeweiligen Heizkanal erstreckt, insbesondere eine geradlinige Diagonale durch die Mittelpunkte der Einlässe, insbesondere eine Diagonale in einem Winkel im Bereich von 40° bis 50° gegenüber der horizontalen x-Richtung, insbesondere eine durch die Eckpunkte zwischen Läufer- und Binderwand verlaufende Diagonale. Hierdurch lässt sich eine vorteilhafte lokale Diversifizierung von Temperatur- und Stofftransport im jeweiligen Heizzug einstellen. Die diagonale Ausgestaltung kann auch durch eine zumindest annähernd fluchtende Anordnung auf einer Linie zwischen diagonal gegenüberliegenden Ecken gekennzeichnet sein. According to one embodiment, the combustion air inlets and the mixed gas inlets of a twin heating flue are arranged relative to one another in such a way that a line connecting the inlets is a diagonal or extends at least approximately diagonally through the respective heating channel, in particular a straight diagonal through the center points of the inlets, in particular a diagonal at an angle in the range from 40 ° to 50 ° with respect to the horizontal x-direction, in particular a diagonal running through the corner points between the runner and truss wall. In this way, an advantageous local diversification of temperature and substance transport can be set in the respective heating flue. The diagonal configuration can also be characterized by an at least approximately aligned arrangement on a line between diagonally opposite corners.
ITEM1 Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch eine Koksofenvorrichtung zum Herstellen von Koks durch Verkokung von Kohle zumindest bei Mischgasbeheizung, mit durch internen thermischen Energieausgleich minimierter Stickoxidemission, mit einer Vielzahl von Zwillingsheizzügen mit paarweise Heizkanälen, welche jeweils paarweise durch eine Trennwand voneinander abgegrenzt und durch zwei einander gegenüberliegende Läuferwände abgeschottet sind, wobei am Boden des jeweiligen Heizkanals wenigstens ein Einlass aus der folgenden Gruppe vorgesehen ist: Koksofengas-Einlass, Verbrennungsluft-Einlass, Mischgas-Einlass; wobei die paarweisen Heizkanäle strömungstechnisch mittels wenigstens eines oberen koppelnden Durchlasses und auch mittels wenigstens zwei unteren koppelnden Durchlässen jeweils für interne Abgasrezirkulation auf wenigstens einem Kreisstrompfad aneinander gekoppelt sind, wobei am jeweiligen Boden das Verhältnis des Abstandes zwischen den zugewandten Kanten des Verbrennungsluft-Einlasses und des Mischgas-Einlasses zum Abstand der Innenkanten der Trennwände mindestens 10% beträgt, wobei der Abstand zwischen den zugewandten Kanten des Verbrennungsluft-Einlasses und des Mischgas-Einlasses mindestens 50mm beträgt, wobei wenigstens einer der Verbrennungsluft- und Mischgas-Einlässe exzentrisch in einem x-Abstand größer Faktor 0,7 der absoluten x-Erstreckung des Heizkanals zwischen gegenüberliegenden Läuferwänden angeordnet ist; wobei die paarweisen Heizkanäle strömungstechnisch mittels wenigstens zwei unteren koppelnden Durchlässen aneinander gekoppelt sind, wobei der Verbrennungsluft-Einlass zumindest annähernd in derselben x-Position angeordnet ist wie der entsprechende untere koppelnde Durchlass, insbesondere mit dem jeweiligen Mittelpunkt des Verbrennungsluft-Einlasses und des entsprechenden Durchlasses in einer Anordnung auf derselben x-Koordinate, insbesondere in Kombination mit den Merkmalen einer zuvor beschriebenen Koksofenvorrichtung. Dies liefert zuvor genannte Vorteile, insbesondere in Hinblick auf primäre Durchmischung von Rezirkulations-Gas und Verbrennungsluft vor Verbrennung.ITEM1 The aforementioned object is also achieved according to the invention by a coke oven device for producing coke by coking coal at least with mixed gas heating, with nitrogen oxide emissions minimized by internal thermal energy balancing, with a large number of twin heating flues with heating channels in pairs, each of which is separated from one another by a partition wall are sealed off by two opposing rotor walls, with at least one inlet from the following group being provided at the bottom of the respective heating channel: coke oven gas inlet, combustion air inlet, mixed gas inlet; The paired heating channels are fluidically coupled to one another by means of at least one upper coupling passage and also by means of at least two lower coupling passages for internal exhaust gas recirculation on at least one circular flow path, with the ratio of the distance between the facing edges of the combustion air inlet and the mixed gas at the respective bottom -Inlet to the distance of the inner edges of the partition walls is at least 10%, the distance between the facing edges of the combustion air inlet and the mixed gas inlet is at least 50mm, with at least one of the combustion air and mixed gas inlets eccentrically larger at an x distance A factor of 0.7 of the absolute x-extension of the heating channel is arranged between opposing rotor walls; The paired heating channels are fluidically coupled to one another by means of at least two lower coupling passages, the combustion air inlet being arranged at least approximately in the same x-position as the corresponding lower coupling passage, in particular with the respective midpoint of the combustion air inlet and the corresponding passage in an arrangement on the same x-coordinate, in particular in combination with the features of a coke oven device described above. This provides the aforementioned advantages, in particular with regard to primary mixing of recirculation gas and combustion air before combustion.
ITEM2 Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch eine Koksofenvorrichtung zum Herstellen von Koks durch Verkokung von Kohle zumindest bei Mischgasbeheizung und bei durch internen thermischen Energieausgleich minimierter Stickoxidemission, mit einer Vielzahl von Zwillingsheizzügen mit Heizkanälen, welche jeweils paarweise durch eine Trennwand voneinander abgegrenzt und durch zwei einander gegenüberliegende Läuferwände abgeschottet sind, wobei die paarweisen Heizkanäle strömungstechnisch mittels wenigstens eines oberen koppelnden Durchlasses und auch mittels wenigstens eines unteren koppelnden Durchlasses jeweils für interne Abgasrezirkulation auf wenigstens einem Kreisstrompfad aneinander gekoppelt sind, wobei im unteren Bereich am Boden des jeweiligen Heizkanals wenigstens ein Einlass aus der folgenden Gruppe vorgesehen ist: Koksofengas-Einlass, Verbrennungsluft-Einlass, Mischgas-Einlass; wobei am jeweiligen Boden das Verhältnis
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Koksofenvorrichtung zum Herstellen von Koks durch Verkokung von Kohle oder Kohlemischungen bei optimierter minimierter Stickoxidemission durch internen thermischen Energieausgleich mittels stahlwerkseigener Gase (Hochofen-originärer Gase) und koksofeneigener Gase durch Maßnahmen intern an der Koksofenvorrichtung zumindest bei Mischgasbeheizung und wahlweise auch bei zeitweiser Koksofengasbeheizung, insbesondere zum Betreiben einer zuvor beschriebenen Koksofenvorrichtung, wobei in einem jeweiligen Zwillingsheizzug der Koksofenvorrichtung mit einem beflammten Heizkanal und einem abgasführenden Heizkanal mittels wenigstens eines koppelnden Durchlasses durch eine Trennwand eine interne Abgasrezirkulation auf wenigstens einem Kreisstrompfad um die Trennwand herum eingestellt wird, wobei im unteren Bereich am Boden des jeweiligen Zwillingsheizzuges wenigstens zwei Gase aus der folgenden Gruppe eingelassen werden: Koksofengas, Verbrennungsluft, Mischgas, wobei die Gruppe der eingelassenen Gase zumindest die beiden Gase Verbrennungsluft und Mischgas umfasst; wobei am jeweiligen Boden die Verbrennungsluft und das Mischgas auf Strömungspfaden in einem Abstand
Gemäß einer Ausführungsform werden am jeweiligen Boden die Querschnittsfläche des Verbrennungsluft-Einlasses und/oder des Mischgas-Einlasses hinsichtlich Geometrie und/oder Größe justiert, insbesondere mittels wenigstens eines Schiebersteins. Dies ermöglicht weitere Optimierungen.According to one embodiment, the cross-sectional area of the combustion air inlet and / or the mixed gas inlet are adjusted with regard to geometry and / or size on the respective floor, in particular by means of at least one slide valve. This enables further optimization.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Flammentemperatur bei Mischgasbeheizung maximal 1.700°C oder maximal 1.600°C oder maximal 1.500°C, insbesondere bei einer Düsensteintemperatur von mindestens 1.300°C oder mindestens 1.320°C. Hierdurch kann auch ein vorteilhafter Rahmen bzgl. Betriebsparametern und Output geschaffen werden. Insbesondere kann die Vorrichtung wahlweise hinsichtlich maximiertem Output betrieben werden (keine strengen NOx-Grenzwerte), oder wahlweise hinsichtlich minimierter NOx-Emission. Im Vergleich zu bisher bekannten Vorrichtungen kann bei vergleichbar hoher NOx-Emission ein höherer Output erzielt werden.According to one embodiment, the flame temperature with mixed gas heating is a maximum of 1,700 ° C or a maximum of 1,600 ° C or a maximum of 1,500 ° C, in particular with a nozzle stone temperature of at least 1,300 ° C or at least 1,320 ° C. This can also create an advantageous framework for operating parameters and output. In particular, the device can optionally be operated with regard to maximized output (no strict NOx limit values), or alternatively with regard to minimized NOx emissions. Compared to previously known devices, a higher output can be achieved with a comparatively high NOx emission.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Gasströme im jeweiligen Heizzug derart eingestellt, dass das Verhältnis aus Flammentemperatur zu Düsensteintemperatur minimiert ist, insbesondere bei einer Düsensteintemperatur von mindestens 1.300°C oder 1.320°C. Ein solches minimiertes Verhältnis kann jeweils eine vergleichsweise homogene Temperaturverteilung kennzeichnen, mit möglichst wenigen oder kleinen Bereichen mit Temperaturspitzen. Dies liefert eine Prozessoptimierung auch hinsichtlich Output und Wirtschaftlichkeit.According to one embodiment, the gas flows in the respective heating flue are set in such a way that the ratio of flame temperature to nozzle brick temperature is minimized, in particular at a nozzle brick temperature of at least 1,300 ° C or 1,320 ° C. Such a minimized ratio can in each case characterize a comparatively homogeneous temperature distribution, with as few or as small areas as possible with temperature peaks. This also provides process optimization in terms of output and economy.
Erfindungsgemäß kann eine Ausbauchung im Temperaturprofil über die Höhe homogenisiert werden. Bisher gab es bei vielen Konstruktionen üblicherweise einen zweistufigen Temperaturverlauf über die Höhe, jeweils mit einem vergleichsweise stark ausgeprägten „Bauch“ oder einer vergleichsweise krassen Ungleichverteilung. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht eine Abflachung des Temperaturprofils, insbesondere über einen großen Höhenabschnitt des gesamten Heizzuges.According to the invention, a bulge in the temperature profile can be homogenized over the height. Until now, many constructions have usually had a two-stage temperature profile across the height, each with a comparatively pronounced "belly" or a comparatively blatant one Unequal distribution. The arrangement according to the invention enables the temperature profile to be flattened, in particular over a large height section of the entire heating flue.
Gemäß einer Ausführungsform wird/werden am jeweiligen Boden mittels des jeweiligen Einlasses das Mischgas und/oder die Verbrennungsluft zumindest annähernd in vertikaler Richtung eingelassen. Alternativ kann am jeweiligen Boden mittels des jeweiligen Einlasses das Mischgas und/oder die Verbrennungsluft in gegenüber der Vertikalen geneigter Richtung eingelassen werden. Wahlweise kann am jeweiligen Boden das Mischgas und/oder die Verbrennungsluft mit einem Wirbel oder mit einem Drall-Impuls auf wenigstens einem spiralförmigen Strömungspfad eingelassen werden. Dies ermöglicht jeweils auch eine Fein-Justage von Strömungspfaden.According to one embodiment, the mixed gas and / or the combustion air is / are admitted at least approximately in the vertical direction at the respective floor by means of the respective inlet. Alternatively, the mixed gas and / or the combustion air can be admitted in a direction inclined with respect to the vertical at the respective floor by means of the respective inlet. The mixed gas and / or the combustion air can optionally be admitted at the respective bottom with a vortex or with a swirl impulse on at least one spiral flow path. This also enables a fine adjustment of flow paths.
Gemäß einer Ausführungsform wird das eingelassene Gas (insbesondere Verbrennungsluft, Mischgas) und/oder das zirkulierende Gas in horizontaler Richtung ausgerichtet oder geführt, insbesondere auf mehreren Höhenniveaus, insbesondere mittels Pralleinbauten oder Prallplatten oder Steinen oder Schirmen, insbesondere jeweils aus Feuerfestmaterial. Dies ermöglicht weitere Optimierungsmaßnahmen hinsichtlich interner energetischer Durchmischung und Abflachung von Temperaturprofilen insbesondere über die Höhe des Heizzuges.According to one embodiment, the admitted gas (in particular combustion air, mixed gas) and / or the circulating gas is aligned or guided in the horizontal direction, in particular at several height levels, in particular by means of baffles or baffle plates or stones or screens, in particular each made of refractory material. This enables further optimization measures with regard to internal energetic mixing and flattening of temperature profiles, especially over the height of the heating flue.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Gas (Verbrennungsluft und/oder Mischgas) mittels der Einlässe auf unterschiedlichen Höhenniveaus eingelassen, insbesondere mit dem Mischgas-Einlass auf einem Höhenniveau über dem Verbrennungsluft-Einlass, insbesondere mittels des Mischgas-Einlasses in einer Anordnung auf einem Sockel oberhalb des Bodens. Dies ermöglicht auch weitere Einflussnahme auf die Temperaturverteilung.According to one embodiment, the gas (combustion air and / or mixed gas) is admitted by means of the inlets at different height levels, in particular with the mixed gas inlet at a height level above the combustion air inlet, in particular by means of the mixed gas inlet in an arrangement on a base above the Soil. This also enables further influence on the temperature distribution.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch Verwendung von Verbrennungsluft- und Mischgas-Einlässen in einer Koksofenvorrichtung mit einer Vielzahl von Zwillingsheizzügen jeweils mit zwei Heizkanälen zum Herstellen von Koks durch Verkokung von Kohle oder Kohlemischungen zumindest bei Mischgasbeheizung und wahlweise auch bei zeitweiser Koksofengasbeheizung, insbesondere in einer zuvor beschriebenen Koksofenvorrichtung, wobei in einem jeweiligen Zwillingsheizzug mittels wenigstens eines koppelnden Durchlasses eine interne Abgasrezirkulation auf wenigstens einem Kreisstrompfad eingestellt wird, wobei die Einlässe zum Minimieren von Stickoxidemission durch internen thermischen Energieausgleich in einem Verhältnis
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch Verwendung von Verbrennungsluft und Mischgas zum Minimieren von Stickoxidemission durch internen thermischen Energieausgleich in Heizkanälen von einer Vielzahl von Zwillingsheizzügen einer Koksofenvorrichtung, insbesondere in einer zuvor beschriebenen Koksofenvorrichtung, wobei in einem jeweiligen Zwillingsheizzug mittels wenigstens eines koppelnden Durchlasses eine interne Abgasrezirkulation auf wenigstens einem Kreisstrompfad eingestellt wird, wobei die Verbrennungsluft und das Mischgas in einem Abstandsverhältnis
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung wenigstens eines Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungen, sowie aus den Zeichnungen selbst. Dabei zeigtFurther features and advantages of the invention emerge from the description of at least one exemplary embodiment on the basis of drawings and from the drawings themselves
FigurenlisteFigure list
-
1A ,1B ,1C ,1D ,1E ,1F ,1G ,1H jeweils in schematischer Darstellung in geschnittenen Seitenansichten und Draufsichten Zwillingsheizzüge bzw. Koksöfen gemäß dem Stand der Technik;1A ,1B ,1C ,1D ,1E ,1F ,1G ,1H each in a schematic representation in sectional side views and plan views twin heating ducts or coke ovens according to the prior art; -
2A ,2B ,2C ,2D ,2E jeweils in schematischer Darstellung in geschnittenen Seitenansichten und in Draufsichten Zwillingsheizzüge bzw. Koksofenvorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen;2A ,2 B ,2C ,2D ,2E each in a schematic representation in sectional side views and in plan views twin heating ducts or coke oven devices according to exemplary embodiments; -
3 ,4 ,5 ,6 ,7 jeweils in schematischer Darstellung in Draufsicht eine relative Anordnung von Einlässen gemäß einem Ausführungsbeispiel;3 ,4th ,5 ,6th ,7th each in a schematic representation in plan view of a relative arrangement of inlets according to an embodiment; -
8 in schematischer Darstellung in Draufsicht eine relative Anordnung von Einlässen gemäß dem Stand der Technik;8th a schematic representation in plan view of a relative arrangement of inlets according to the prior art; -
9 in schematischer Darstellung in Draufsicht konstruktive Größen bei Zwillingsheizzügen;9 in a schematic representation in plan view, constructive dimensions for twin heating flues; -
10A ,10B ,10C jeweils in schematischer Darstellung in Draufsicht eine relative Anordnung der Einlässe relativ zu einem entfernteren unteren Rezirkulationsdurchlass gemäß einem Ausführungsbeispiel;10A ,10B ,10C each in a schematic representation in plan view of a relative arrangement of the inlets relative to a more distant lower recirculation passage according to an embodiment; -
11 in schematischer Darstellung in Draufsicht eine relative Anordnung der Einlässe relativ zu einem einzelnen unteren Rezirkulationsdurchlass gemäß einem Ausführungsbeispiel;11 in a schematic representation in plan view a relative arrangement of the inlets relative to a single lower recirculation passage according to an embodiment; -
12 in schematischer Darstellung in Draufsicht eine Illustration eines Strömungsaustauschabschnitts bei einer relativen Anordnung der Einlässe gemäß dem Stand der Technik;12 in a schematic representation in plan view an illustration of a flow exchange section with a relative arrangement of the inlets according to the prior art; -
13A ,13B jeweils in schematischer Darstellung in Draufsicht eine Illustration eines Strömungsaustauschabschnitts bei einer relativen Anordnung der Einlässe gemäß einem der Ausführungsbeispiele.13A ,13B each in a schematic representation in plan view an illustration of a flow exchange section with a relative arrangement of the inlets according to one of the exemplary embodiments.
Bei Bezugszeichen, die nicht explizit in Bezug auf eine einzelne Figur beschrieben werden, wird auf die anderen Figuren verwiesen. In Figuren, welche den Stand der Technik beschreiben, sind die Positionen und winkeligen Ausrichtungen der einzelnen Einlässe und Durchlässe oder Strömungspfade nur exemplarisch (insbesondere nur in einzelnen Heizkanälen) und nicht vollständig illustriert oder gegebenenfalls nicht exakt winkelig angeordnet.
In Figuren, welche die vorliegende Erfindung beschreiben, sind die Positionen und winkeligen Ausrichtungen der einzelnen Einlässe und Durchlässe oder Strömungspfade schematisch illustriert (insbesondere nur in einzelnen Heizkanälen), wobei die Beträge der jeweiligen Abstände in der Beschreibung näher definiert werden.In the case of reference symbols that are not explicitly described with reference to an individual figure, reference is made to the other figures. In figures describing the state of the art, the positions and angular orientations of the individual inlets and passages or flow paths are only exemplary (in particular only in individual heating channels) and are not fully illustrated or, if applicable, are not arranged precisely at an angle.
In figures which describe the present invention, the positions and angular orientations of the individual inlets and passages or flow paths are illustrated schematically (in particular only in individual heating channels), the amounts of the respective distances being defined in more detail in the description.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGURENDETAILED DESCRIPTION OF THE FIGURES
Die
Die paarweisen Heizkanäle sind jeweils durch eine koppelnde Trennwand (Binderwand)
In den Trennwänden
Die jeweiligen Wände sind insbesondere aus Steinen gemauert, welche gemäß deren Abmessungen jeweils eine Wandlage definieren.The respective walls are in particular made of stones which, according to their dimensions, each define a wall layer.
Die x-Richtung kennzeichnet die Breite des Ofens
In der so genannten Brennerebene
Als für den Ofenbauer/-betreiber charakteristische Temperaturen am Koksofen
Unter Bezugnahme auf die
Die in
Auf eine Illustration des unter der Brennerebene
Die
Unter Bezugnahme auf die
In
In
In
Die in
Unter Bezugnahme auf die
Die in Bezug auf die jeweiligen Einlässe und Durchlässe erwähnten Abstände und Relativpositionen können sich reziprok auch auf die Abstände und Relativpositionen der jeweiligen Gastrompfade/Kreisstrompfade beziehen, zumindest in einem Abschnitt stromauf von einer nachfolgenden Durchmischung mit benachbarten Gasströmen.The distances and relative positions mentioned in relation to the respective inlets and passages can also reciprocally refer to the distances and relative positions of the respective gas flow paths / circulating flow paths, at least in a section upstream of a subsequent mixing with adjacent gas flows.
Die
- - vergleichsweise hoher Druckverlust (z.B. im Sommer) im Heizzug: Schieber geöffnet zwecks Minimierung des Druckverlustes;
- - Regulierung von Druckverlust und Durchflüssen insbesondere zur Anpassung der Leistungskapazität der Anlage (insbesondere je nach gewünschtem Koks-Output);
- - Regulierung von Druckverlust und Durchflüssen insbesondere zur Anpassung der Betriebsparameter auf das Einsatzmaterial (Anpassung der so genannten Kohlebasis), z.B. bei zunehmendem Wassergehalt höherer Gasbedarf;
- - comparatively high pressure loss (eg in summer) in the heating flue: slide valve opened to minimize pressure loss;
- - Regulation of pressure loss and flow rates, in particular to adapt the performance capacity of the plant (in particular depending on the desired coke output);
- - Regulation of pressure loss and flow rates, in particular to adapt the operating parameters to the input material (adaptation of the so-called coal base), for example higher gas requirements with increasing water content;
Bei allen gezeigten Ausführungsbeispielen können Innenecken zwischen den Wänden auch Radien aufweisen bzw. abgerundet sein, insbesondere auch aus Stabilitätsgründen, insbesondere auch in Form von so genannten Kopfbindern. Die erfindungsgemäßen Größenverhältnisse und Maßangaben sind unabhängig von derartigen Abrundungen; vielmehr beziehen sich die Größenverhältnisse und Maßangaben auf die Abstände von parallelen Wänden oder von zumindest annähernd parallelen Wandabschnitten, insbesondere auf die jeweils größten Abstände in der betreffenden Querschnittsebene.In all the exemplary embodiments shown, inner corners between the walls can also have radii or be rounded, in particular for reasons of stability, in particular in the form of so-called head ties. The proportions and dimensions according to the invention are independent of such roundings; rather, the proportions and dimensions relate to the distances from parallel walls or from at least approximately parallel wall sections, in particular to the respective largest distances in the relevant cross-sectional plane.
Die
- - Parameteroptimierung insbesondere hinsichtlich Änderungen der Gasqualität: im Verlauf der Lebensdauer kann temporär oder permanent ein niederkaloriges Mischgas (insbesondere mit unteren Heizwerten kleiner als 4185kJ pro Nm3; typische untere Heizwerten von Mischgasen im Bereich von 4185 bis 5500kJ pro Nm3) zur Anwendung kommen;
- - Variation des Gas/Luft-Verhältnisses am Boden über einen vergleichsweise großen Bereich mit gutem Effekt auf die vertikale Temperaturverteilung; dies kann insbesondere bei einer erforderlich werdenden Kapazitätsänderung des Ofens oder bei veränderter Beheizungsführung oder veränderter Kohlebasis vorteilhaft sein.
- - Parameter optimization, particularly with regard to changes in gas quality: in the course of the service life, a low-calorific mixed gas (especially with lower calorific values less than 4185 kJ per Nm 3 ; typical lower calorific values of mixed gases in the range from 4185 to 5500 kJ per Nm 3 ) can be used;
- - Variation of the gas / air ratio on the ground over a comparatively large area with a good effect on the vertical temperature distribution; this can be advantageous in particular if a change in the capacity of the furnace becomes necessary or if the heating system or the coal base is changed.
Die
- - Luftöffnung am Boden in Ausgestaltung als Düse
16 (illustriert durch runde Querschnittsgeometrie); Düsen können insbesondere bei Zugang von oben von der Decke aus einfacher zugänglich und austauschbar sein als Schiebersteine.
- - Air opening on the floor designed as a nozzle
16 (illustrated by round cross-sectional geometry); Nozzles can be more easily accessible and replaceable than slide blocks, especially when they are accessed from above from the ceiling.
Bei allen gezeigten Ausführungsbeispielen können die Koksofengas-Einlässe wahlweise auch in die Trennwand integriert sein, also nicht in y-Richtung beabstandet von der Trennwand angeordnet sein, sondern mit der Trennwand verbaut sein.In all of the exemplary embodiments shown, the coke oven gas inlets can optionally also be integrated into the partition, that is to say not arranged at a distance from the partition in the y-direction, but rather built into the partition.
Die
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß
Die
Bei Ausführungsbeispielen gemäß
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß
Die
Die y-Erstreckung der Verbrennungsluft-Einlässe
Die
Es hat sich gezeigt, dass für die zuvor beschriebenen „vorwärtsbrennenden“ Ofen-Konfigurationen ein Flächeninhalt
Es hat sich gezeigt, dass bei dieser „Rücken-an-Rücken“-Konfiguration ein Flächeninhalt
Dies gilt wiederum für große Öfen größer 7 m Kammerhöhe (Standard für Neubauten). Für kleinere Öfen zwischen 4m und 7m Kammerhöhe habe ich wieder die untere Grenze für den besonders zu schützenden Bereich deutlich nach unten bewegt. Sollte dieser optimale Bereich als zu groß beanstandet werden, würde ich die untere Grenze um 200 cm2 anheben.This in turn applies to large ovens with a chamber height of more than 7 m (standard for new buildings). For smaller ovens between 4m and 7m chamber height, I have again moved the lower limit for the area to be particularly protected downwards. Should this optimal area be criticized as too large, I would raise the lower limit by 200 cm2.
Bei den in den
Bei den in den
Bei den zuvor beschriebenen Anordnungen können die Höhenpositionen der Einlässe nach unten oder nach oben in Bezug auf die Brennerebene variieren, wie zuvor allgemein beschrieben.In the arrangements described above, the height positions of the inlets can vary downwards or upwards with respect to the burner plane, as generally described above.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Koksofen, insbesondere HorizontalkammerofenCoke oven, in particular horizontal chamber oven
- 22
- Ofenkammer mit Kohle-ChargeFurnace chamber with charcoal charge
- 33
- LäuferwandRunner wall
- 44th
- koppelnde Trennwand bzw. Binderwandcoupling partition or truss wall
- 4a4a
- abschottende Trennwand ohne Durchlässepartitioning wall without openings
- 4.14.1
- Kanal bzw. Stufenluftkanal in TrennwandDuct or step air duct in partition
- 4.24.2
- Verbrennungsstufe bzw. Einlass oder Auslass am Stufenluftkanal vom/zum HeizkanalCombustion stage or inlet or outlet on the step air duct from / to the heating duct
- 4.34.3
- WandoberflächeWall surface
- 4.44.4
- zwei Heizkanäle koppelnder Durchlass (bzw. Abgasumkehrstelle bzw. Umkehrstelle für Beheizungsgas)two heating channels coupling passage (or flue gas reversal point or reversal point for heating gas)
- 55
- Zwillingsheizzug (paarweise Anordnung von zwei Vertikalheizzügen)Twin heating flues (arrangement of two vertical heating flues in pairs)
- 5.15.1
- beflammter Heizkanal (Vertikalheizzug)flamed heating duct (vertical heating duct)
- 5.25.2
- abgasführender Heizkanal (Vertikalheizzug)exhaust gas-carrying heating duct (vertical heating duct)
- 5.35.3
- InnenwandungInner wall
- 5.45.4
- Brennerebene bzw. Boden eines HeizkanalsBurner level or floor of a heating duct
- 5.65.6
- BeheizungsdifferentialHeating differential
- 5.615.61
- einzelne Öffnung im Beheizungsdifferentialsingle opening in the heating differential
- 5.75.7
- (Zwischen-)Decke eines Heizkanals(Intermediate) ceiling of a heating duct
- 66th
- (erster) Verbrennungsluft-Einlass, insbesondere für Koksofengasbeheizung(first) combustion air inlet, especially for coke oven gas heating
- 77th
- weiterer Verbrennungsluft-Einlass bzw. Einlass für Mischgasbeheizungfurther combustion air inlet or inlet for mixed gas heating
- 88th
- Koksofengas-Einlass bzw. Koksofengas-DüseCoke oven gas inlet or coke oven gas nozzle
- 99
- Kreisstrom Circulating current
- 1010
- Koksofenvorrichtung, insbesondere mit HorizontalkammerofenCoke oven device, in particular with a horizontal chamber oven
- 10.210.2
- OfenkammerFurnace chamber
- 1111
- beflammter Heizkanal (Vertikalheizzug)flamed heating duct (vertical heating duct)
- 11.111.1
- InnenwandungInner wall
- 1212
- abgasführender Heizkanal (Vertikalheizzug)exhaust gas-carrying heating duct (vertical heating duct)
- 1313
- Zwillingsheizzug (paarweise Anordnung von zwei Vertikalheizzügen)Twin heating flues (arrangement of two vertical heating flues in pairs)
- 1414th
- Trennwand bzw. BinderwandPartition wall or truss wall
- 14a14a
- abschottende Trennwand ohne Durchlässepartitioning wall without openings
- 14.114.1
- Kanal bzw. Stufenluftkanal in TrennwandDuct or step air duct in partition
- 14.1111/14
- Verbrennungsstufe bzw. Stufenluft-Einlass oder Auslass am Stufenkanal vom/zum HeizkanalCombustion stage or stage air inlet or outlet on the stage duct from / to the heating duct
- 14.214.2
- zwei Heizkanäle koppelnder DurchlassPassage coupling two heating channels
- 14.314.3
- Innenoberfläche der TrennwandInner surface of the partition
- 14.414.4
- Ausbuchtung für StufenluftkanalBulge for step air duct
- 1515th
- LäuferwandRunner wall
- 15.115.1
- Innenoberfläche der LäuferwandInner surface of the runner wall
- 1616
- (erster) Verbrennungsluft-Einlass bzw. Lufteinlass, insbesondere für Koksofengasbeheizung(First) combustion air inlet or air inlet, in particular for coke oven gas heating
- 1717th
- weiterer Verbrennungsluft-Einlass bzw. Mischgaseinlass, insbesondere für Mischgasbeheizungfurther combustion air inlet or mixed gas inlet, in particular for mixed gas heating
- 1818th
- Koksofengas-Einlass bzw. Koksofengas-DüseCoke oven gas inlet or coke oven gas nozzle
- 1919th
- Schieberstein Slide valve
- AA.
- Flächeninhalt Vieleck-Anordnung (Dreieck oder Viereck)Area polygonal arrangement (triangle or square)
- BB.
- StrömungsaustauschabschnittFlow exchange section
- EE.
- Abstand zwischen Beheizungsdifferential und DurchlassDistance between the heating differential and the passage
- G1G1
- Beheizungsgas bzw. VerbrennungsluftHeating gas or combustion air
- G1aG1a
- KoksofengasCoke oven gas
- G1bG1b
- MischgasMixed gas
- G4G4
- RezirkulationsabgasRecirculation exhaust
- G5G5
- Stufengas bzw. Stufenluft aus VerbrennungsstufeStage gas or stage air from the combustion stage
- G6G6
- Abgas Exhaust gas
- GP1GP1
- Einströmpfad bzw. Strömungspfad für wenigstens eines der über die Einlässe eingeleiteten GaseInflow path or flow path for at least one of the gases introduced via the inlets
- GP4GP4
- Strömungspfad von rezirkuliertem Abgas/RauchgasRecirculated flue gas / flue gas flow path
- GP5GP5
- Strömungspfad von gestuft eingeleitetem Gas Flow path of gas introduced in stages
- MM.
- Mittenlängsachse des jeweiligen Heizkanals Central longitudinal axis of the respective heating channel
- T1T1
- DüsensteintemperaturNozzle stone temperature
- T2T2
- (Gas-)Temperatur im Heizzug/Heizkanal(Gas) temperature in the heating flue / heating duct
- T3T3
- Temperatur in der Ofenkammer Temperature in the furnace chamber
- xx
- horizontale Richtung (Breite oder Länge; Längserstreckung Binderwand)horizontal direction (width or length; longitudinal extension of the truss wall)
- x0x0
- OfenteilungOven division
- x1x1
- Abstand des Verbrennungsluft-Einlasses zur gegenüberliegenden LäuferwandDistance between the combustion air inlet and the opposite wall of the rotor
- x2x2
- Abstand des Mischgas-Einlasses zur gegenüberliegenden LäuferwandDistance of the mixed gas inlet to the opposite wall of the rotor
- xz14xz14
- Austrittsebene TrennwandExit level partition
- yy
- Tiefe bzw. horizontale Ausdrückrichtung (Längserstreckung Läuferwand)Depth or horizontal push-out direction (longitudinal extension of the runner wall)
- y0y0
- HeizzugteilungHeating train division
- y1y1
- Abstand zwischen zugewandten Kanten des Verbrennungsluft-Einlasses und des Mischgas-EinlassesDistance between facing edges of the combustion air inlet and the mixed gas inlet
- y2y2
- Abstand der Innenkanten der TrennwändeDistance between the inner edges of the partition walls
- zz
- vertikale Richtung (Hochachse)vertical direction (vertical axis)
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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- DE 3812558 C2 [0032]DE 3812558 C2 [0032]
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