EP3681978A1 - Koksofenvorrichtung mit zentrischer rezirkulation zum herstellen von koks und verfahren zum betreiben der koksofenvorrichtung sowie steuerungseinrichtung und verwendung - Google Patents

Koksofenvorrichtung mit zentrischer rezirkulation zum herstellen von koks und verfahren zum betreiben der koksofenvorrichtung sowie steuerungseinrichtung und verwendung

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EP3681978A1
EP3681978A1 EP18769664.6A EP18769664A EP3681978A1 EP 3681978 A1 EP3681978 A1 EP 3681978A1 EP 18769664 A EP18769664 A EP 18769664A EP 3681978 A1 EP3681978 A1 EP 3681978A1
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EP
European Patent Office
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gas
heating
coke oven
exhaust gas
inlet
Prior art date
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Application number
EP18769664.6A
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English (en)
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EP3681978B1 (de
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Ronald Kim
Thomas TSCHIRLEY
Rafal Grzegorz Buczynski
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
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Publication date
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Priority claimed from DE102017216436.0A external-priority patent/DE102017216436A1/de
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B21/00—Heating of coke ovens with combustible gases
    • C10B21/20—Methods of heating ovens of the chamber oven type
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B21/00—Heating of coke ovens with combustible gases
    • C10B21/10—Regulating and controlling the combustion
    • C10B21/18—Recirculating the flue gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B21/00—Heating of coke ovens with combustible gases
    • C10B21/20—Methods of heating ovens of the chamber oven type
    • C10B21/22—Methods of heating ovens of the chamber oven type by introducing the heating gas and air at various levels
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B5/00—Coke ovens with horizontal chambers
    • C10B5/02—Coke ovens with horizontal chambers with vertical heating flues

Definitions

  • Coke oven apparatus with centric recirculation for producing coke and method for operating the coke oven apparatus, and controller and use Description:
  • the invention relates to an apparatus and a method for producing coke and a control device and corresponding uses.
  • the invention relates to an apparatus and a method according to the preamble of the respective independent claim.
  • emission limits in existing plants can be called: 500mg / Nm 3 , corresponding to about 250ppm at 5% oxygen 02.
  • future limits can be named: about 350mg / Nm 3 (about 170ppm at 5 % 02) in Europe, or soon even only about 200mg / Nm 3 in Asia, especially Japan, Korea, Taiwan and China.
  • the NOx emission should sink as soon as possible by half or more.
  • some environmental agencies are already calling for an upper limit in the area of only about 100mg / Nm 3 , especially in Asia, which would equal the factor of 5.
  • the permissible limit value will be even lower than 350 mg / Nm 3 within a short time.
  • Nitrogen oxides are released in particular by the flue gas generated by Koksofengasverbrennung or formed during combustion, in particular from a nozzle stone temperature (in the exhaust-carrying heating channel on the ground) of about 1,250 ° C (so-called thermal NOx formation).
  • the thermal NO x formation is favored or fanned exponentially with higher temperature, so that the emission of nitrogen oxides is strongly determined by the thermal conditions in the coke oven. It is known that, in particular in the vertical, flue-gas-carrying heating cables of the coke oven, it is possible to influence the NOx emission by setting a specific temperature regime. The rule of thumb is that the higher the temperature, the stronger the NOx emission.
  • An oven operator is thus endeavored or forced by environmental specifications to keep the temperature as low as possible, in particular not to let rise above the limit of 1250 ° C.
  • the furnace operator is also interested in an efficient coking process and wishes to have an operating mode at nozzle brick temperatures of up to 1,325 ° C;
  • the efficiency of coking increases with temperature, and the higher the operating temperature, the more compact a furnace battery can be designed with the same output.
  • a differentiation is made according to the expressing direction of the coke between vertical chamber furnaces and horizontal chamber furnaces.
  • coking is carried out in batches. After coking, the coke is expressed in the horizontal direction (batch operation).
  • the coal in vertical chamber furnaces continuously in vertical direction and discharged (Conti operation).
  • the present invention relates in particular to horizontal chamber furnaces.
  • Oven chambers usually have a height in the range of 4 to 8.5m, wherein the height of the furnace chambers or heating channels is also specified by the mode of operation. The height influences the pressure difference in the heating channel. 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 altitude, because only then should it be possible to set an efficient operating condition without too much increase in NOx emissions.
  • the temperature gradient should be as much as possible smaller than 40K or 40 ° C, in particular at a temperature in the furnace chamber in the range of 1,000 to 1,100 ° C. A temperature maximum well above the average temperature would promote thermal NO x formation. Thus, a coke oven can be operated at an optimum compromise of high output and low NOx emissions if the temperature remains homogeneously just below the temperature at which thermal NOx formation occurs.
  • a coke oven is a comparatively complex system, with corresponding simulation effort.
  • a new design with a new way of gas routing can mean a computational effort of several weeks per calculation, so that even in simulations a workload of several years (for example, over 100 required variations) may arise.
  • a simple constructive measure must be checked for cost reasons first in numerous aspects, before this measure can be examined more closely by simulations.
  • design variations on existing furnace designs tend to be carried out in a very moderate, conservative manner.
  • a Kreisstrom Installation (partially at one end of the heating channel or in full circle) is usually realized in so-called twin heating trains.
  • Paired side by side heating cables or heating channels, in particular in a vertical orientation are coupled to each other by the gas is returned from the flamed heating channel in the non-flamed heating channel, either only at an upper / lower reversal point, or be it both above and below ,
  • a horizontal chamber furnace can be provided in the ejection direction about 24 to 40 heating channels, so about 12 to 20 pairs of twins.
  • An optionally realizable circulating current can form autonomously due to the pressure differences, ie without additional active fluidic control or support.
  • the optimization of a circulating current control, especially for the purpose of homogeneous heat distribution began in the 1920s on an industrial scale. Since the 1970s, the influences of the circulating current system on NOx emissions have also been examined in more detail.
  • the configuration hitherto used in most cases coke ovens with Kreisstrom entry can be described as follows: In pairwise heating channels (twin heating) is ascending in the flow direction, ie in the flamed heating channel, a heating gas out and burned in particular multi-stage, which then as a flue gas through the parallel, exhaust-carrying heating channel is guided down to the bottom and sucked out there, with a partial flow of the inert (burnt) exhaust gas in the circuit back into the leading up, flamed heating channel is performed.
  • the heating channels can be coupled to each other at the upper and lower ends in each case by means of an exhaust gas recirculation opening or a passage, in particular in the region of the bottom of the furnace chamber at least approximately at the same height level as the inlets.
  • the average nozzle stone temperature in the heating train can be controlled and maintained at a moderate level, in particular by lowering the local flame temperature (with strong gas heating above 2000 ° C., with mixed gas heating below 2000 ° C.) (eg at a nozzle brick temperature of 1240 to 1300 ° C), with the effect that the NOx emissions can be lowered.
  • the following arrangement (height position) of the lower passage can be called: between 0mm (ie directly at the level of the burner level) to 300mm above the burner level.
  • the cross-sectional area is usually given by a layer height of about 120mm.
  • the lower passage can be closed in the bottom arrangement by means of a roller which can be rolled on the burner level in front of the passage.
  • the passage is realized by means of a recess in a wall layer (gap or missing stone).
  • Such arranged in pairs and aligned in the vertical direction heating channels or twin heating trains thus allow for relatively little effort influencing the temperature profile, especially for specific adjustment of the circulation of flue gas.
  • the pairwise heating channels are connected to one another in the upper region via a free opening cross-section, that is to say a passage through which the heating channels are fluidically coupled to one another.
  • a partial volume flow of the flue gas, which is normally conducted back into the flamed heating channel, is in the case of high-temperature gas heating, e.g. 30 to 45% of the total flue gas volume produced in the upflow channel.
  • combustion can also be graded by passing gas or air via at least one stepped air channel in at least one height position above the burner level (bottom) into the respective heating cable, or by discharging corresponding exhaust gas.
  • the staged combustion can be combined with the circular current flow.
  • the measures are considered directly on the coke oven, so measures for thermal optimization, in particular by an optimized way of media management, the structural design of the coke oven and, consequently, the stability of the coke oven is of great relevance, in particular the structural design of the individual walls a respective furnace chamber and the respective Schuuches (rotor walls, partitions).
  • Small measures on the design structure can have great effects on the temperature balance and the coking process.
  • any measure also has, where appropriate, very disadvantageous side effects to be avoided, for example, on the statics of the heating walls, on the flow resistance, or the finally adjusting flow velocities and temperature profiles. It is therefore to be expected that changes to the construction described in more detail below can only be carried out within a narrow tolerance range.
  • the equilibrium of the gas mixture is thereby disturbed: In particular, only an insufficient amount of air is available for additional gas quantities to be burned in the heating channel. Also lead different filling times, for example, each offset by 12 hours, in the adjacent furnace chambers to different lateral forces in the respective walls.
  • the stability of the furnace is therefore a high priority also for measures to reduce emissions. High stability is usually achieved by a tongue and groove arrangement of the stones. This construction is also preferred in view of tightness to avoid bypass flows and pre-combustion.
  • the furnace chambers are delimited by rotor walls opposite gas-conducting heating channels, in particular on a relatively narrow end face of the respective channel, in particular by two along the entire respective furnace chamber extending opposite rotor walls.
  • the individual heating channels are thereby partitioned off from one another by so-called binder walls (partitions), which extend in particular orthogonally to the two rotor walls between the rotor walls, in particular on the relatively wider side of the furnace chambers.
  • binder walls partitions
  • Three binder walls separate two channels from each other or a twin heating cable from another twin heating cable.
  • a respective heating channel is thus delimited by two rotor wall sections and by two binder walls.
  • a respective heating channel is about 450 to 550mm long or deep (middle to middle).
  • a rotor wall thickness is for example in the range of 80 to 120mm.
  • a binder wall thickness is for example in the range of 120 to 150mm. In the present specification, this term is used interchangeably with the term "partition wall", in particular to clarify that a rotor wall and a binder wall / partition can be made in the same construction, namely by each on the narrow side of each other lined up stones.
  • the "rotor wall" of a horizontal chamber furnace can also be described as a longitudinal wall arranged longitudinally in the ejection direction, and the "binder wall” can also be described as a transverse (separating) wall arranged transversely to the direction of ejection.
  • combustion air openings and mixed gas openings are provided, the function of which can be selected or adjusted depending on the type of heating (mixed gas or Kokosofengasbeehrung).
  • a Koksofengasö réelle in the heating channel.
  • 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 cable with a circular flow guide is formed.
  • the volumetric flow through the exhaust gas recirculation openings can optionally be regulated, in particular by means of an adjusting roller arranged on the bottom in the burner plane and displaceable there.
  • Stepped gas ducts are provided in the binder walls, which introduce combustion air (step gas) into the furnace chamber at one or more height positions (air stage or binder wall opening).
  • combustion air step gas
  • a usual ratio of the introduced into the furnace chamber volume flows can be called: 30% through the bottom side combustion air inlet, 30% through the bottom side mixed gas inlet, and 40% by the at least one step gas inlet (binder wall opening).
  • This ratio can be set analogously for the discharge of the gases from the furnace chamber, depending on the performance requirements.
  • a bypass flow such as a heating differential, may be formed to adjust coking parameters.
  • the bypass flow can be sealed off from the heating cables via a particularly horizontal wall or ceiling, in which ceiling passages are provided, which can be covered for example by means of slide blocks or can be adjusted with respect to the cross section.
  • the measures described above directly on or in the coke oven or heating train can be referred to here as primary measures.
  • the ovens described here are usually operated with auto-ignition (in particular above 800 ° C), so that the appropriate measure for cooling or lowering the gas temperature only under narrow boundary conditions or only in a narrow temperature range can be done, in particular to avoid that the combustion goes out.
  • secondary measures have been tested which can be carried out downstream of the coke oven in downstream plant components, for example the use of selective catalysts in the chimney (SCR or DeNOx), 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 at extremely high costs (up to 50% of the total investment for the entire coke oven) or additional maintenance. These measures are effective but in many cases too costly.
  • patent application DE 40 06 217 A1 may be mentioned, in which the combination of several measures comprising both measures on regenerators in the central structure of the furnace as well as measures for external flue gas circuit is described, with the aim of homogeneous heating conditions and low NOx emission even at high furnace chambers.
  • the present invention is directed to the optimization of coke ovens by measures directly on the coke oven or on its structural design, in particular by measures on the established heating system with heaters at least one recirculation, in particular with circular current, in particular to obtain the option to operate the coke oven in a performance-optimized operating mode without any downstream system components. This may be hoped for a great potential for improvement, with great benefits for the furnace operators, and thus also with good opportunities for enforcement of the technical concept in the market.
  • the object of the invention is to provide a coke oven apparatus and a method for operating the coke oven device, whereby NOx emissions can be kept low or can be minimized in existing or new plants even when operating at full load, the coke oven device advantageously low NOx -Emission level preferably without downstream system components should allow.
  • a coke oven device for producing coke by coking coal or coal mixtures
  • the coke oven device is adapted for minimized NOx emission by internal thermal energy or temperature compensation means of coke own gases or gas streams by primary measures internally to the coke oven device , with a plurality of twin Thompsonman each with a flamed with gas or combustion air (and therefore flowed upward) heating channel and an exhaust gas flowing downwardly flowing heating channel, which heating channels in pairs separated by a partition or binder wall from each other and by two opposing rotor walls of a respective Oven chamber of the coke oven device are sealed, wherein the paired heating channels, in particular at both the upper and at the bottom, are fluidly coupled by means of an upper coupling passage and optionally also by means of a lower coupling passage each for internal exhaust gas recirculation on an outer circular current path to each other, wherein in the lower At least one inlet of the following group is provided at the bottom of the respective twin heating train: coke oven gas inlet for introducing coke oven gas into the heating channel
  • This exhaust gas recirculation flow path is arranged more centrically than the corresponding flow paths or inflow paths of the introduced gases.
  • the recirculation at least above is more centric than the inflow over the inlets.
  • the heat distribution in the heating channel can be optimized in the first place, in particular evened out, mirror-symmetrically or simultaneously both in the upwardly and downwardly flowed through the heating channel.
  • the respective coke oven gas inlet can be arranged in terms of flow technology and heat energy with respect to at least one passage or inlet. Effect: Influence on the heat distribution and gas mixing, in particular in the floor area by means of internal gas flows, ie by means of internal fluidic measures. External measures are not required.
  • the internal measures can be purely passive measures, in particular purely constructive measures.
  • the flow conditions can be adjusted autonomously thanks to constructive measures. This not least facilitates the operation of the device.
  • a control / regulation of the furnace can be made comparable to the previous manner.
  • the y-position of the respective inlet between opposite dividing walls may preferably be at least approximately centric in each case. It has been shown that the y-position is to be chosen subordinate to the x-position and can be selected largely independently of the x-position, in particular according to the respective design advantages or as a function of a desired inflow angle.
  • the respective upper passage is arranged below an optionally existing heating differential, in particular in an extending in the xz-plane Partition wall.
  • openings of a heating differential are arranged in a separating bulkhead extending in the xy plane.
  • a lower passage is not necessarily provided.
  • circular current or “circular current path” can also be applied to a not completely closed, but e.g. only over 180 ° or 270 ° in the circular flow guided.
  • a combustion-inert and mixture-delaying intermediate layer and a cooling in the bottom area allow, in particular, a combustion-inert and mixture-delaying intermediate layer and a cooling in the bottom area, and can be carried out directly on the coke oven or on its structural design, in particular on the heating system, without the requirement of downstream plant components.
  • a temperature maximum between the burner level and the lowermost passage can be lowered.
  • the goal can be achieved to keep a temperature difference over the entire height of the heating channel well below 50K, with a mean coal charge temperature in the range of 1000 ° C and a maximum temperature in the range of 1050 ° C and in any case less than 1 100 ° C.
  • the potential for NOx reduction in the range of 70 to 80% with respect to the current level of 350 to 500 ppm NOx (at 5% O 2) can be realized.
  • a level of less than 100 ppm NOx (at 5% 02) can be realized.
  • the amount of refractory material can be reduced by up to 5% percent, with the same output.
  • An oven operator can operate the oven with high output, or at high nozzle stone temperatures, with comparatively low NOx emission.
  • the measures described in the present description can be obtained in particular on coke ovens with chamber operating times between the filling process and Ausd Wegvorgang between 15h and 28h, or on coke ovens with a Schuuchtemperatur or nozzle stone temperature in the range of about 1200 to 1350 ° C.
  • the respective heating channel is delimited at the bottom by the bottom, which floor is also referred to as the burner level, even if there are no burners used (auto-ignition especially at about 800 ° C).
  • a heating channel is to be understood a term for a very specific VertikalMapzug the two vertical heating of a twin heating.
  • a heating train is to understand any of the two vertical heating of a Zwwiningsutzzuges. In a respective operating state of the coke oven, a heating channel is either flared upwards or flows through downwards. If it is not relevant in the appropriate context of the explanations in which direction the gas flows, so the term heating is used here instead of the term heating channel.
  • the term heating train can thus refer to the upwardly or downwardly flowed through the heating channel.
  • the mixture may include, for example, at least one additive from the following group: petcoke, oil, Bitumensorten eg in the form of scrap tires, coal and coke dust, binding or coking aids such as Molasses, oil residues, cellulosic aggregates, sulphite or sulphate compounds or lye, which mixture may also comprise biomass. Clearances are referenced to the corresponding central longitudinal axis for references to channels, inlets, passages or nozzles, and to an inner surface for masonry or walls, unless otherwise specified.
  • the air or gas guide according to the invention can be implemented not only in twin heating trains, but also in so-called four-draft furnaces or alternative arrangements in which the concept of fluid-coupled heating cables is taken up and multiplied in each case in each paired coupling of the heating cables ,
  • the introduced combustion air or the heating gas serves to generate the required process heat, be it in the floor area or in specific stepped height positions. It has been shown that the arrangement according to the invention also makes it possible to dispense with a plurality of stepped air inlets (in particular by providing only a single gas classification), in particular at furnace chamber heights of less than 8 m. A modification according to the invention of the position of the lower, bottom-side inlets thus makes it possible to reduce the constructional outlay or the complexity of the furnace elsewhere.
  • the respective partition wall has a width (wall thickness) of 80 to 200 mm, more preferably 120 to 150 mm.
  • the respective rotor wall preferably has a width (wall thickness) of 80 to 120 mm. This provides a sufficiently strong insulation and stability.
  • At least one combustion air or stepped air inlet for introducing combustion air from a stepped air duct running in the partition wall into the heating duct in at least one combustion stage height position can be provided in the partition wall.
  • the lower area at the bottom of the heating train can correspond to the burner level, or even a height range over a maximum of 2 to 3 layers of brick masonry furnace (2 to 3 wall layers), at a height of each layer in the range of about 120mm.
  • the floor area according to the definition of the present description may also extend, for example, to a height of 1200 mm.
  • the bottom area is defined as one area from the burner level up to a height of 100 to max. 800mm above the burner level.
  • Altitudes in the present description refer to the burner level, ie to the lowest point of a respective heating channel.
  • a lower passage is a passage defining a lower inflection point of a circular flow or a flow, in particular below an upper passage.
  • the respective lower passage does not necessarily have to be arranged in the floor area.
  • all the exhaust gas recirculation passages are arranged more centrically with respect to the width (x) of the heating channel than at least one of the inlets, in particular as all the inlets.
  • all the exhaust gas recirculation passages are arranged more centrically than at least one of the inlets. This allows a particularly effective decoupling of the rotor walls.
  • at least one exhaust gas recirculation passage is arranged more centrically than all the inlets. This allows the rotor walls to be sealed off from recirculated exhaust gas by a gas carpet of new gas introduced.
  • all the exhaust gas recirculation passages are arranged more centrically than all the inlets. This provides a particularly effective arrangement.
  • At least two of the inlets comprising the coke oven gas inlet are arranged closer to the rotor walls on both sides of the coupling passages such that the circulating flow flowing out of the passages is arranged on a circular flow path closer to the central longitudinal axis of the heating channel than an inflow path the gases introduced via the corresponding inlets.
  • At least two of the inlets are arranged on both sides of the coupling passages closer to the rotor walls, that the respective exhaust gas recirculation passage between the inlets laterally comprises or delimited from the inlets and at least three or four upwardly flowing partial flows in the corresponding heating channel form on flow paths, at least over a certain height section (especially in the height range of 0 to 1000mm) at least run approximately parallel to each other or at least next to each other and lead to a delayed mixing in this height section. Only above this height section is a more thorough mixing.
  • the respective coke oven gas inlet is arranged adjacent to the corresponding rotor wall, and / or the respective combustion air inlet is arranged opposite to the coke oven gas inlet adjacent to the corresponding rotor wall.
  • the respective combustion air and / or mixed gas inlet is arranged adjacent to the corresponding rotor wall and the respective exhaust gas recirculation passage is arranged centrally, in particular mirror-symmetrical with respect to a central longitudinal axis in the respective heating channel.
  • the respective partition wall has at least one further coupling lower and / or upper passage, which is arranged in a central height position (center in z-direction) closer to the center of height of the heating channels than the outer circular current path and is adapted to form an inner inert Intermediate layer on a / the centric flow path between the gas and air flow rates.
  • a heat-insulating intermediate layer can be formed in the partition wall between the heating channels by means of which a partial volumetric flow of exhaust gas / flue gas can be conducted out of the descending heating channel and can be guided back into the ascending heating channel, wherein an intermediate intermediate-combustion-inert medium is produced by means of the intermediate layer can be generated with combustion retardant effect.
  • a noticeable NOx reduction effect can already be achieved by means of a single additional passage.
  • Exhaust gas or a larger exhaust gas flow rate can be passed in such a manner in the upward flowing through the heating channel, in particular at different height positions, in particular far below in the bottom region, that the local temperature is lowered and the temperature profile in the width and / or in the height is made uniform.
  • the respective dividing wall further above can have at least one further coupling passage, which is located further inwardly closer to the middle of the heating channels than the outer circular flow path and is arranged to form an internal inert intermediate layer between the gas and air volume flows (combustion-technically or intermeshing). This allows a homogeneous temperature profile even at higher altitude positions.
  • an inert separating layer can be formed by internally introducing internally reused inert exhaust gas, with a heat-insulating function, with the effect of a delayed, later mixing.
  • a separating laminar layer can be formed, which prevents cross-mixing or at least slightly further upwards to a higher height position.
  • the invention is also based on the knowledge that the exhaust gas can also be performed in an average height position of the respective heating channel, at a lower pressure difference than at the upper and lower end, in terms of one with respect to the outermost Abgasrezirkulations-passages on internal bypass.
  • the further inside, enclosed by the outer circuit bypass or circulating current affects the outer circuit current is not or not noticeable, especially due to the lower pressure difference. However, an influence on the heat transfer or the local temperature can be effectively performed.
  • the respective partition wall has at least one further coupling lower and / or upper exhaust gas recirculation passage, which is arranged in a central height position closer to the center of the heating channels than the outer circular flow and is adapted for an additional inner bypass circular flow (additional recirculation ) up or down to form a (inertially or intermeshingly) inner inert intermediate layer between the gas and air flow streams on an additional inner bypass loop current path, the inner inert intermediate layer being preferably circumscribed by the outer circular current path.
  • the respective partition wall has a plurality of further coupling exhaust gas recirculation passages which are arranged above and below at least one air stage in the partition wall and are arranged for at least two additional bypass circular currents further inwardly closer to the center of the height of the heating cables than the external one Circulating flow around one or more of the air stages to form one or more inner combustion intermediate air layers on an additional inner bypass loop current path, wherein the respective inner inert intermediate layer is preferably circumscribed by the outer circular current path , This allows a stepped influence on the flow and temperature profile in different height positions, independent of stepped air ducts.
  • Cross-mixing of recirculated exhaust gases with newly introduced gases can be prevented or at least delayed according to the invention, in particular thanks to predominantly laminar flow conditions in at least one inert intermediate layer.
  • the delaying of the cross-mixing can be done more or less effectively depending on the flow conditions, but in particular at least in such a way that cross-mixing takes place at the earliest above that of a NOx-forming zone.
  • the energetically and economically advantageous concept of the circular current flow can advantageously continue to be full be exploited when a very high flame temperature prevails, so with strong gas heating.
  • the lower and optionally also the upper exhaust gas recirculation passages are formed in the height direction over at least 2 to 5, in particular over at least 3 to 4 wall layers, and / or over a maximum of 8 to 10 wall layers. This provides a good compromise between sufficient structural stability and adequate flow resistance of the recirculated gas.
  • the respective lower / lowest exhaust gas recirculation passage extends over a plurality of wall layers or refractory layers in the height direction, in particular over at least 2 to 5 wall layers. This also allows for an adequate flow profile. Also can be done easily integration into an existing design.
  • the inner inert intermediate layer is arranged in the x-direction farther inward or centrically than the flow paths of the inflowing gases and further in the middle or in a more central height position than the outer circular current path. This favors the stepped influence in each relevant height position.
  • the exhaust gas recirculation passages are arranged in the region of the central width (x) of the heating channel, in particular at an x-distance from the central longitudinal axis of less than 30 or 20 or 10% of the width of the heating channel. This results in advantages explained above with regard to the inert intermediate layer.
  • the respective lower exhaust gas recirculation passage is disposed between the respective coke oven gas inlet and the respective combustion air and / or mixed gas inlet. This allows the previously explained influence on the temperature and flow profile, in particular in the bottom area, in particular a separation of the individual gas streams.
  • the respective coke oven gas inlet is arranged closer to the rotor wall than the third width of the heating cable (x-distance between opposing rotor walls), in particular at an x-distance of 10 to 350 mm, in particular less than 300 mm, to an inner surface of the rotor wall, wherein the respective lower exhaust gas recirculation passage is closer than the third width of the heating cable to the center or to the Center longitudinal axis of the heating cable is arranged out, in particular at an x-distance of 30 to 300mm.
  • This provides effective separation of the gas streams.
  • the flow paths may be parallel without or before cross-mixing occurs.
  • the respective combustion air inlet and / or mixed gas inlet is arranged closer to the rotor wall than the third width of the heating cable (x-distance between opposing rotor walls), and the respective lower exhaust gas recirculation passage is closer than the third width of the heating cable arranged to the center of the heating train, in particular at an x-distance of 30 to 300mm.
  • This provides effective separation of the gas streams.
  • the flow paths may be parallel without or before cross-mixing occurs.
  • the respective coke oven gas inlet is arranged closer to the corresponding rotor wall than the respective lower exhaust gas recirculation passage, in particular with its central longitudinal axis at a distance of 10 to 350 mm, in particular less than 300 mm, to an inner surface of the rotor wall. This can also provide design benefits.
  • At least one further lower exhaust gas recirculation passage or at least one further pair of lower exhaust gas recirculation passages is provided per twin heating train, in particular in at least one further height position above the (first) lower coupling passage, in particular below at least one step air inlet. This allows targeted influence on the temperature and flow profile in selected height positions.
  • each twin heater train between two stage air inlets has up to five further lower exhaust gas recirculation passages or up to five pairs of lower ones Exhaust gas recirculation passages provided. This provides a particularly great flexibility in influencing the respective height position.
  • At least two further pairs of lower exhaust gas recirculation passages are provided in at least two further height positions above a lowermost pair of passages, in particular three to seven pairs of lower exhaust gas recirculation passages in three to seven further height positions.
  • This provides a great variability with up to seven internal circulating currents.
  • up to ten further lower exhaust gas recirculation passages or up to ten pairs of lower exhaust gas recirculation passages are disposed in further height positions below the stage air inlets per twin heater train. This allows a distribution of the recirculated gas such that the circular flow can form homogeneously and the gases can gradually mix with each other in the respective height position.
  • a higher number of passages also opens up the option of geometrically adjusting the passages to the desired flow state without too narrow boundary conditions.
  • staged air is used here synonymously with the term “staged gas”.
  • a stepped air duct can therefore also lead gas unequal to air.
  • At least one further lower exhaust gas recirculation passage or at least one further pair of lower exhaust gas recirculation passages is arranged in at least one further height position between at least two stage air inlets per twin heating cable. This allows optimization by combining circular flow paths of recirculated gas and inlet paths of step gas.
  • At least one further lower exhaust gas recirculation passage or at least one further pair of lower exhaust gas recirculation passages is arranged both below and above the or each stage air inlets for each twin heater train. This provides particularly high variability.
  • At least one further lower exhaust gas recirculation passage or at least one further pair of lower exhaust gas recirculation passages in at least one further height position above the twin heater is located above the or arranged by all the stage air inlets. This also allows for an inner circuit current (path) decoupled from stepped-in gas.
  • up to five further upper exhaust gas recirculation passages or up to five further pairs of upper exhaust gas recirculation passages are arranged above the or each stage air inlets per twin heating train. This provides particularly high variability.
  • the exhaust gas recirculation passages are arranged above all the step gas inlets, a portion of the hot exhaust gas can already be conducted into the downwardly flowing heating channel before the reversal point, which has positive effects on the temperature control, in particular also in the gas collecting space above the charge.
  • 800 to 820 ° C are not to be exceeded (soot formation, chemical quality of the raw gas).
  • the exhaust gas recirculation passages may each be provided in pairs or individually, that is, even if the number is odd, e.g. three or five more exhaust gas recirculation passages.
  • At least two intermediate layers are provided between the individual passages. This also provides good stability.
  • Such stabilization of the heater wall assembly consisting of runner and binder wall is advantageous in terms of stability against coal driving pressures (maximum at about 75% of the cooking cycle).
  • Coke ovens are usually built up in layers, with layer heights including joint between 100 and 160mm, especially about 120 to 130mm.
  • the Baulehre for coke ovens teaches a combination of all possible stones of a heating wall via a tongue and groove connection, or by means of tongue and groove curvature. If a large passage cross-sectional area over several layers is desired, the heating wall assembly is weakened and there is a risk of deformation and outgassing of the furnace chamber due to widening joints.
  • the recirculation passages are arranged as follows: in each case a wall layer with a recirculation passage and above it a composite-stabilizing refractory material layer without passage, always alternating to e.g. Max. ten passages; or in each case one wall layer with a recirculation passage and above it two composite-stabilizing refractory material layers without passage and then a wall layer with a recirculation passage and above this one or two composite-stabilizing refractory material layers without passage.
  • This provides good stability.
  • the passages are comparatively small, but can be well integrated into the design of the furnace.
  • At least one in particular centrally arranged step air channel is formed in the partition wall with at least one step air inlet, in particular with at least one step air inlet above at least one recirculation passage.
  • at least two in particular arranged parallel stepped air passages in the (respective) partition which unite above the upper / upper exhaust gas recirculation passage and open in a top step air inlet above all exhaust gas recirculation passages in the flamed heating channel. This also makes it possible, for example, to optimize the temperature and flow profiles by means of stepped gas at different width positions or (x) positions.
  • the unified passage can be easily adjusted from the top of the ceiling by adjusting organ or slider.
  • at least two, in particular, parallel, stepped air passages are formed in at least one of the partitions, which open into the flamed heating duct above the upper / uppermost exhaust gas recirculation passage in two upper stage air inlets above all the exhaust gas recirculation passages.
  • the stepped introduced gas can be introduced homogeneously across the width (x-direction) in the heating channel.
  • the redundant design of the stepped air ducts provides the advantage that the circulating current can be moved as far as desired into the center, in particular in the lower region of the heating channel, and thus can be very effectively decoupled from the gases admitted.
  • This also constructive advantages may arise, including cost advantages in the construction of the device, or advantages for the operation.
  • the stepped air ducts can also be laid to the outside, so that an inert exhaust gas flow can be formed as centrically as possible (at least more centrically than the other gases) by means of recirculated gases. Also, an advantageous secondary heat distribution can be achieved. Last but not least there are constructive advantages.
  • the respective lower / lowermost exhaust gas recirculation passage is arranged at a distance of at least 50 mm above the lower region or above the bottom of the heating channel.
  • a good fluidic effect can be achieved, in particular in coordination with the arrangement of the inlets.
  • a lower edge of the lowest Rezirklations trimlasses in the range 0 to 150 mm above the burner levels arranged above a stabilizing separation layer with a height of about 120 to 130mm, about another passage with a minimum height of eg about 120mm, with this change between Passage and separation layer can extend to a height of 800mm.
  • the coke oven gas inlet or the corresponding throttle cable is arranged at a distance from the central longitudinal axis of at least 50% of the width of the heating channel. This spacing provides effective decoupling from the centrically located flow paths of the recirculation gases.
  • the grading is provided only in the ascending heating channel.
  • At least three additional coupling exhaust gas recirculation passages are provided, wherein at least two inner additional circular streams are formed, wherein above and below a gas stage (outlet of a stepped air channel) is provided in each case an exhaust gas recirculation passage.
  • the combustion air inlet and / or mixed gas inlet and / or coke oven gas inlet are at an angle of 0 ° with respect to the central longitudinal axis of the heating channel (with respect to a normal to the ground or with respect to the vertical) or at an angle less than 30 °, in particular less than 20 ° or less than 10 ° with respect to the vertical (z) aligned, in particular all inlets in the same direction inclined or aligned.
  • This orientation which is oriented vertically as far as possible, allows a centrally arranged flame, which provides advantages in terms of temperature distribution.
  • the exhaust gas flow rates can flow centrally and almost vertically upwards, ie in the normal direction in the vertical height direction z in the heating channel, and the new, admitted gases can form a Gasteppich for foreclosure.
  • the volume flows do not bounce against the walls, in contrast to a steeply inclined orientation.
  • the combustion can be directed to the Schukanal scholar, so not to the outer surfaces, whereby moderate temperatures can be adjusted. Local temperature peaks can be effectively avoided.
  • the respective inflow pulse can be used particularly advantageously for additional intake of flue gas from the unflamed heating channel or for a more targeted mixing of the gases.
  • the respective inflow pulse can be delivered to the other gases, so does not dissipate on the walls.
  • the inlets are usually aligned obliquely in previous ovens in a large angle of inclination of about 30 °. It has been found that the Einströmimpuls the respective gas are not used very effectively in this orientation, in particular not for Aspiration of flue gas from the unflamed heating channel.
  • the alignment according to the invention enables particularly high recirculation rates.
  • the respective combustion air inlet and / or the respective mixed gas inlet and / or the respective coke oven gas inlet have a cross-sectional area of at most 0.06 m 2 , in particular also at furnace chamber heights above 6 m.
  • a cross-sectional area of at most 0.06 m 2 , in particular also at furnace chamber heights above 6 m.
  • the gases can be introduced in such a way that the circulating flow rate or the proportion of the recirculated gas is increased.
  • the cross-sectional area of the respective lower and / or upper exhaust gas recirculation passage is greater than 0.005 m 2 , in particular greater than 0.01 m 2 . This allows a comparatively weak flow pulse of the recirculated exhaust gas, with the effect that the flow pulse of the newly admitted gas acts more strongly. With a comparatively small newly introduced volume flow, a large effect can be achieved thereby, and a high cycle flow rate can be selected.
  • the cross-sectional area of the respective lower exhaust gas recirculation passage has a rectangular, in particular in the width direction (x), transverse to the Ausdrückraum, elongated geometry. This allows easy integration into the walls, with the option of resizing with minimal design effort.
  • the cross-sectional area of the respective upper exhaust gas recirculation passage can have a rectangular, in particular in the width direction (x), transversely to the expressing direction, elongated geometry or a square geometry.
  • the respective inlets and / or the respective passages can be the same size, or be adapted specifically for each height position.
  • the respective exhaust gas recirculation passage has at least one rounded flow edge and / or convex curvature, in particular with a radius of at least one quarter wall layer (corresponding to degrees or millimeters) or at least 30 °, in particular one inwards with respect to the respective circular flow path lying rounded flow edge or convex curvature.
  • This facilitates the circulating current, in particular even with only slight pressure differences.
  • an advantageous flow profile can be ensured in the upward flowed through heating channel.
  • the respective exhaust gas recirculation passage has at least one sharp flow edge and / or concave curvature, in particular with a radius of at most one or two wall layers (corresponding in degrees or millimeters), in particular a sharp flow edge lying outside with respect to the respective circular flow path or concave curvature. This can ensure that the flow flows on an optimal flow path.
  • Gas guidance contours can be provided by means of the passages or in the passages.
  • the respective exhaust gas recirculation passage has at least one Umstromungskontur with at least one radius and at least one sharp edge of the flow (or spoiler edge).
  • This combined contour provides a particularly good aerodynamic effect and has the advantage that an additional inner circular flow can already form at very low differential pressures.
  • the respective radius can be formed in particular over an angle of 30 to 60 °.
  • Such flow optimization can make the arrangement of the passages more flexible, especially since even in comparatively high heating channels only very small pressure differences in the range of a few pascals (Pa) can be present.
  • a flow obstruction can be created in the passage, with the effect that the flow is only forwarded back into the respectively upwardly flowed through heating channel.
  • the lower exhaust gas recirculation passages are arranged offset one above the other on both sides of a stepped air duct running in the partition wall, in particular in conjunction with a stabilizing web in the partition wall.
  • This can Influence on the flow profile can also be taken in a wider latitude range (x). With respect to the horizontal, an offset of between 10 and 200 mm may be advantageous, in particular for the purpose of improving the cooling effect.
  • below the exhaust gas recirculation passages in particular in a central structure above a regenerator of the coke oven device, at least one transfer passage is arranged for introducing recirculated exhaust gas at the bottom of the respective heating passage at a position between the mixed gas inlet and the combustion air inlet arranged.
  • These transfer passages have a larger flow path and are channel-like (round or rectangular), and may be provided in combination with the above-described bypass openings (heating differential).
  • At least one of the inlets in the lower region comprises an inlet nozzle and opens into the heating channel at a height position of 0.0 to 0.45 m, in particular 0.05 to 0.25 m, above the bottom of the heating channel. It has been found that such a distance from the ground has a positive effect on the flow profile in the floor area.
  • This embodiment of the nozzle can be referred to as a gas classification, and can be advantageously combined with the other measures described here.
  • a nozzle pipe arranged at the bottom of the heating channel preferably ends approximately 0.25 m high above the channel bottom (burner level) and is preferably made of refractory material.
  • the coke oven gas flows in a height position of about 0.25m and mixes with the incoming air at the bottom.
  • a height position of the nozzle tube smaller than 500 mm, or preferably smaller than 350 or 300 mm, can protect the nozzle disposed therein also from the flow cross-section reducing carbon or soot caking and from high temperatures, and a power loss can be prevented.
  • the nozzle is located below the burner level in the battery cellar, which operates under atmospheric conditions (not endangered by high temperatures).
  • the nozzle tube protrudes in both types of furnaces 0.05 to 0.5m, preferably 0.25m in the heating channel, so that the gas is admitted at Unterbrenneröfen at the same height position as in side burners.
  • the inlet nozzle is oriented orthogonally to the bottom of the heating channel, in particular perpendicular.
  • the other inlets are aligned at least approximately orthogonal or vertical.
  • the above object is also achieved by a method for operating a coke oven device for producing coke by coking coal or coal mixtures with optimized minimized NOx emission by internal thermal energy balance means of coke own gases by primary measures internally to the coke oven apparatus, in particular for operating a previously described Koksofenvorraum, wherein in a respective twin heating with a flamed Schukanal and a flue gas or exhaust gas heating channel, in particular both at the upper and at the lower end of the heating channel to a partition around by means of at least one coupling passage, in particular by means of upper and lower coupling Passageways, through the partition, an internal exhaust gas recirculation is set on an outer circular flow path around the partition around, wherein coke oven gas and / or Verbre in the lower region at the bottom of the respective Zwwinings2020, and at least one gas from the following group: Koksofengas, combustion air, mixed gas; wherein the exhaust gas recirculation on a / the circular current path or at least one centric flow path in each case
  • the recirculated partial gas volume flow can be passed on and used as an inert intermediate layer in such a way that the inert intermediate layer contains the reactants gas and Air in the lower part of the heating channel initially separated (combustion technology decoupling) and in the further flow in the vertical direction above causes a delayed Ausbrand characterizing. This can cause a NOx-reducing effect.
  • At least one heat-insulating intermediate layer of a partial volume flow of exhaust gas / flue gas is formed from the descending heating channel in a plurality of twin heating ducts each with pairwise heating channels in each case in a partition wall between the heating ducts.
  • At least one additional inner circular flow is set more centric than the admitted gases and further inwardly than the outer circular flow path and bounded by the outer circular flow path, in particular via at least one pair of additional up and down passages. It has been found that a further inside circular flow provided on the inside can already be formed when there is a pressure difference in the region of a few pascal.
  • the pressure difference can be well below 1 mbar, in particular in the range of less than 10 or 5 pascals (Pa), for example 2 to 4 Pa, and yet the additional circulating current can be formed.
  • the proportion of the exhaust gas recirculated internally on the circular flow path or yarns is adjusted to more than 50%, in particular more than 70%, in particular 80%, during high-temperature gas heating or mixed gas heating.
  • the proportion of recirculated exhaust gas was previously at a maximum of 25 to 45% for strong gas heating or a maximum of 10 to 20% mixed gas heating.
  • the high recirculation rate can be achieved through optimized gas routing and enables an energy-efficient process with minimized emissions.
  • the process for high gas heating is performed by using substantially coke oven gas; or wherein the process for mixed gas heating is performed by substantially using a mixture of blast furnace gas, coke oven gas, and optionally also converter gas; or wherein the process is carried out with natural gas as at least partial replacement of coke oven gas. It has been found that the flow concept according to the invention can be implemented in any of these operating modes.
  • Mixed gas is usually composed of two or three gases or gas mixtures: blast furnace gas (to a large extent), coke oven gas (too low a proportion), and optionally also converter gas.
  • a coke oven in particular a composite oven
  • strong gas only about 5% of the operating time in the year, at a significantly higher flame temperature above 2,000 ° C (high calorific value of the strong gas or coke oven gas).
  • the flame temperature is only in the range of about 1,700 ° C, for example.
  • the circulating flow rate of the recirculated exhaust gas can be increased from previously about 30 to 45% to over 50% in the case of strong gas heating, and likewise to more than 50% in the case of mixed gas heating of previously about 15 to 25%.
  • This allows a very effective cooling of the flame temperature in the upward flowing through the heating channel with comparatively cold exhaust gas.
  • a cooling effect in the range of at least 5 to 60 ° C can be realized, whereby a minimization of thermally formed nitrogen oxides can be achieved.
  • a uniform coke quality can be achieved in particular thanks to a very homogeneous heat flow, and thanks to lower temperature gradient, a thermal load on the chamber walls can be minimized.
  • the furnace may be operated at lower heating temperatures, with at least approximately the same rate of coking as with ovens previously operated at higher temperatures with higher NOx emissions.
  • natural gas can also be fed in via the inlet for coke-oven gas, in particular provided as LNG (liquefied natural gas).
  • LNG liquefied natural gas
  • natural gas consists of 90 to 100% methane (CH4) and marginally higher hydrocarbons. Due to the low flame temperature of methane, methane is a preferred substitute for coke oven gas (less thermal NOx is formed). Methane / natural gas is more expensive. In addition, the own would even produced in the factory, purified coke oven gas can not find a buyer.
  • coke oven gas can be at least partially replaced by natural gas. The effects of the present invention can also be achieved using natural gas.
  • a substoichiometric combustion ratio of ⁇ 0.9 is set, in particular a combustion ratio in the range of 0.5 to 0.8, in particular 0.7, in particular in the bottom region in the burner level at the bottom of the respective heating channel.
  • the combustion ratio may be determined by the supply of the total amount of air from one of e.g. 10 to 25 twin heating panels existing heating wall to be controlled in the air valves in front of the entire battery.
  • e.g. Sheets are placed as a resistance in the inlet cross-section of the respective valve, e.g. To obtain a reduction in the amount of air sucked and thus the so-called air ratio of the entire heating wall.
  • regulating valves for further influencing the total quantity or the direction of partial quantities can be provided in the air valves, which partial quantities each flow into individual regenerator segments. For example, a first regenerator preheats the respective gas and air of the subsurface subsets, and a second regenerator reheats subsets for stage air.
  • a preferably laminar intermediate layer between introduced gas and a stepped air channel or gas from the stepped air channel is formed, in particular in a height range of 5 to 75%, preferably 15 to 50% of the height of the heating channel, in particular over a height section of 0.25 to 4m.
  • This can facilitate separation of the gas streams.
  • an insulating and mixing-delaying guest carpet is formed between the respective rotor wall and the circular current path (s).
  • the laminar flow or intermediate layer may be characterized in particular by Reynolds numbers less than 2320.
  • the proportion of introduced gas quantities between a first stage, in particular at the bottom through the combustion air and mixed gas inlet (bottom stage) and a second stage (one or more binder wall stages) to 50:50 or even smaller proportion of the first Level set.
  • a higher proportion of recirculated gas it is optionally possible to lower the proportion of the gas introduced at the bottom in the first stage. This allows further variations in influencing the airfoil, especially in the floor area.
  • the ratio of the volumetric flows introduced into the heating channels is set as follows: ⁇ 30% through the combustion air inlet, ⁇ 30% through the mixed gas inlet, and> 40% through the recirculation passages and optionally at least one staged air inlet ,
  • the volume flow introduced into the furnace chamber at the combustion air inlet and at the mixed gas inlet is adjusted to between 45 and 55% of the volume flow introduced through the recirculation passages and optionally the at least one stage air inlet. This also allows for a more effective influence on different height positions. The process is carried out in particular with Starkgasbeflower.
  • the process is carried out with Starzgasbesammlungung with leaner rich gas with lowered lower heating value in Starkgasbeauchungsmodus by using as gas a gas with a lower calorific value in the range of 14000 to max. 17000 kJ / Nm3 is provided.
  • a gas with a lower calorific value in the range of 14000 to max. 17000 kJ / Nm3 is provided.
  • the flame temperature in connection with the measures described above can be considerably reduced, in particular by a difference of 50 to 300K.
  • the aforementioned object is also achieved by a logic unit or control device configured to carry out a method described above, wherein the volume flows introduced into the heating channels are set according to the above-described conditions, and / or the flow direction in the heating cables is cyclically changed, especially every 15 to 25min. This allows a very homogeneous temperature profile can be achieved even with frequent switching.
  • the switching time is e.g. in the range of 1 to 2min.
  • the aforementioned object is also achieved according to the invention by using at least one partition wall with at least one further inward in the width direction (x) more centrically than at least one gas inlet, in particular centrically positioned than all the gas inlets Exhaust gas recirculation passage in a twin heating train of a coke oven apparatus, in particular in a coke oven apparatus previously described. This results in the aforementioned advantages.
  • the aforementioned object is also achieved according to the invention by using at least one partition wall with at least one further inside in the width direction (x) centrically positioned as gas inlets exhaust gas recirculation passage exclusively in the pointing to the coke side of a coke oven device half of the twin heating of the coke oven device, in particular in a coke oven device described above , This results in the aforementioned advantages.
  • the aforementioned object is also achieved according to the invention by using at least one partition wall with at least two, in particular parallel, arranged stepped air ducts, which unite above an upper / upper exhaust gas recirculation passage and in a top step air inlet above all exhaust gas recirculation passages in a flamed heating channel lead; and / or by using at least one partition wall with at least two, in particular parallel, stepped air ducts which open above an upper / uppermost exhaust gas recirculation passage in two upper stage air inlets above all exhaust gas recirculation passages into the flamed heating duct, in particular in a previously described one Koksofenvorraum.
  • This provides high variability in terms of individual optimization measures.
  • the aforementioned object is also achieved according to the invention by using a previously described coke oven device for coking coal or a coal mixture comprising at least one additive from the following group: petcoke, oil, Bitumensorten eg in the form of scrap tires, coal and coke dust, binders or coking aids such as molasses, oil residues, cellulosic additives, sulfite or sulfate compounds or - lye, wherein the mixture may also have biomass.
  • the aforementioned object is also achieved according to the invention by using leaner rich gas with a lowered lower calorific value when operating a coke oven device described above.
  • the lean heavy gas is provided in particular by mixing blast furnace gas and strong gas.
  • compositions in% by volume (wet state) and lower calorific values (in KJ / m3, dry state, anhydrous) for both blast furnace gas (blast furnace gas) and strong gas (coke-oven gas purified in the secondary recovery) the following values can be cited:
  • Blast furnace gas 1.92% H2, 59.5% N2, 24.24% CO, 1.96% CO2, 2.37% H20, with a net calorific value of about 3349
  • the percentages given in each case according to the selection of the skilled person for the respective gas mixture 100%.
  • the components of the respective gas mixture add up to 100 percent.
  • further constituents, in particular higher hydrocarbons, and NH 3 and H 2 S in the respective gas mixture may be contained, in particular in each case below 1.5%.
  • As fluctuation ranges for the individual components a tolerance of + -15% can be called.
  • a mixed gas or a lean heavy gas can be mixed from the blast furnace gas and the purified strong gas, in particular according to the following rounded to the first decimal place components, each with a range of variation for the individual components of + -15% tolerance:
  • FIGS. 8A, 8B, 8C, 8D, 8E each in schematic representation in section
  • FIG. 9 is a schematic representation in a sectional side view of a cross section or a cross-sectional contour of a passage in twin Schumachern according to
  • FIG. 10 is a process diagram relating to the operation of a coke oven apparatus according to embodiments.
  • FIG. 1 1, 12 each in a schematic representation in sectional side views
  • 1A, 1 B, 1 C, 1 D, 1 E, 1 F, 1 G, 1 H show a coke oven 1 in the manner of a horizontal chamber furnace, with a plurality of furnace chambers 2 each with charcoal charge.
  • the Furnace chambers 2 have a height z2 of eg 6 to 8m.
  • the furnace chambers 2 are partitioned off by rotor walls 3 which each extend in a yz plane. Between two rotor walls 3 form pairwise heating channels 5.1, 5.2 each have a twin heater 5, the inner wall 5.3 delimits the (free of coal) of gases flowing through the boiler room of the respective furnace chamber.
  • the heating channels 5.1, 5.2 are alternately operated as a flamed or exhaust-carrying heating channel, which requires a switching of the flow direction and in a cycle of eg 20min. he follows.
  • the pairwise heating channels are separated from each other by a coupling partition wall (binder wall) 4, in which a coupling passage 4.4 is provided above and below, via which a circular flow 9 of recirculated exhaust gas can be realized.
  • Neighboring twin heating cables are completely sealed off from each other by a partition wall 4a that is completely sealed off.
  • a stepped air channel 4.1 is arranged in the partitions 4, 4a, which is coupled to the heating channel via at least one combustion stage 4.2 or the corresponding inlet or outlet.
  • the respective combustion stage 4.2 is arranged in a characterizing height position z4. For example, two or three height positions z4 are defined, in which stage air is admitted.
  • the respective walls are made of stones, each defining a wall layer 3.1.
  • the x-direction indicates the width of the furnace 1
  • the y-direction indicates the depth (or the horizontal expulsion direction in a horizontal chamber furnace)
  • the z-direction indicates the vertical (vertical axis).
  • the center longitudinal axis M of the respective heating channel extends through the center of the respective heating channel arranged centrally in the x and y directions with respect to the inner surfaces / inner walls.
  • the center of each twin heater is not marked. It lies approximately in the center of the respective circularly flowed partition wall, in particular in the center of a centrally arranged step air channel.
  • the term “centric” or “center” here refers to a center in the xy plane, and the term “center” or “center” here refers to the height direction (z).
  • a plurality of inlets are arranged, namely a (first) combustion air inlet 6, in particular for Koksofengasbeloomung, and another combustion air inlet 7, in particular for mixed gas heating, and a Koksofengas inlet.
  • Gas introduced via the inlets flows upwards on the wall surfaces 4.3 of the partition walls and on the inner walls of the rotor walls.
  • temperatures at the coke oven 1 can be mentioned: nozzle stone temperature T1, (gas) temperature T2 in the respective heating channel, and temperature T3 in the furnace chamber.
  • the present invention relates to the most homogeneous possible distribution of the temperature T2.
  • the individual gas flows are described below with reference to FIGS. 1 F to 8E.
  • the gas flow G1 indicates newly introduced or supplied heating gas or combustion air.
  • the gas stream G1 may comprise a gas stream G1a (coke oven gas) and / or a gas stream Gi b (mixed gas).
  • the gas flow G4 indicates recirculation exhaust gases, which are returned or circulated.
  • the gas flow G5 denotes gas or air from a respective combustion stage 4.2, 14.1 1
  • the gas flow G6 denotes exhaust gases, which are discharged from the respective heating channel or heating train.
  • the distance d4 previously known passages 4.4 in the x-direction to each other is relatively large.
  • the distance d5 of the Koksofengas inlet 8 to the other inlets 6, 7 in the x direction, in particular a distance between the Koksofengas inlet 8; G1a and the other admitted gas flows G1 is comparatively small.
  • the distance d5 is smaller than the distance d4.
  • the distance x4 of the respective passage 4.4 to the inner wall of the rotor wall 3 is comparatively small (in particular, a distance of 120 to 140 mm between the rotor wall and the outer edge of the passage has hitherto been maintained).
  • the distance x6, x8 of the inlet 6, 8 to the rotor wall 3 is comparatively large.
  • the distance x8 is smaller than the distance x6.
  • the distance x4 is significantly smaller than the distance x6, x8.
  • the recirculation arrows shown in Fig. 1 D are shown only schematically and do not exactly reflect the direction of the respective gas flow.
  • Fig. 1 G schematically shows a heating differential 5.6 with individual openings 5.61, via which the gas can be diverted in a head region of the heating channel.
  • the heating differential 5.6 is sealed off by a (intermediate) ceiling 5.7 from the respective twin heating cable.
  • the heating differential 5.6 is independent of the circulating current 9.
  • FIGS. 2, 3, 4, 5, 6, 7 show the individual measures according to the invention for optimizing the temperature profile in the respective heating channel. Individual measures are further illustrated in detail in FIGS. 8A, 8B, 8C, 8D, 8E.
  • a coke oven apparatus 10 with furnace chambers 10.2, in particular with horizontal chamber furnace chambers, has a plurality of twin heating units 13 each with a flamed heating channel 11 and an exhaust-carrying heating channel 12.
  • the heating channels define with the inner wall 1 1.1 a heating cable for the passage of gases.
  • the individual heating channels are delimited from one another by partitions (binder wall) 14 with coupling passages 14.2 and partition walls 14a without passages.
  • at least one stage air channel 14.1 with one or more combustion stages 14.1 1 or inlets or outlets from / to the heating channel is provided in the partitions 14, 14a.
  • Rotor walls 15 delimit the furnace chambers and heating channels in the y-direction.
  • Gas can flow into the respective heating channel via a plurality of inlets 16, 17, 18, in particular via a first combustion air inlet 16, in particular for coke oven gas heating, via a further combustion air inlet 17, in particular for mixed gas heating, and via a coke oven gas inlet 18 or a coke oven gas nozzle.
  • the recessed and recirculated gas flows both centrally and on inner surfaces 14.3, 15.1 of the respective partition wall or rotor wall through the respective heating channel downwards or upwards.
  • a circulating current 19 is formed by a plurality of circulating currents which flow around each other on a plurality of paths.
  • FIG. 2 shows an outer circular current path 19.1, which circumscribes and flows around two further circular current paths 19.2, 19.3, wherein the inner circular current paths 19.2, 19.3 are defined via the corresponding additional exhaust gas recirculation passages 14.2.
  • Fig. 2 shows an arrangement with three Kreisstrompfaden 19.1, 19.2, 19.3, which extend around an at least approximately at half height position in the heating channel arranged utilizatnluftauslass 14.1 1 around. From the devisn Kunststoffauslass 14.1 1 flows step gas G5. Optionally, a plurality of stepped air outlets may be provided, in particular also above the innermost circular flow path 19.3. The optimization of the flow and heat profile can be done primarily by means of the recirculated gas G4, both in the ground area and in several height positions above.
  • Fig. 3 shows an arrangement with more than three Kreisstrompfaden, wherein the number of lower passages is greater than the number of upper passages.
  • the optimization can be carried out in particular in the ground area primarily by means of recirculated gas G4, without the requirement of stepped inlet of step gas.
  • a heating differential 5.6 is provided, which e.g. can be switched on by means of pusher blocks independently of the respective circulating currents.
  • Fig. 4 shows an arrangement with more than three Kreisstrompfaden, the number of lower passages is significantly greater than the number of upper passages.
  • six lower passages (or pairs of passages) are provided in six different height positions.
  • the lower passages are all arranged under a stepped air outlet 14.1 1 of a centric stepped air duct.
  • the six lower passages are provided in pairs adjacent to the stepped air passage, and the upper passages are provided individually and arranged centrally.
  • Above the exignluftauslass a single centric lower passage is arranged. In this arrangement, a particularly wide centric two-flow path results from bottom to top, which whre above is supplemented by step gas and the centrically introduced recirculation gas.
  • the cross-sectional area Q14 of the respective coupling passage 14.2 on the inner surface to the heating passage will be described.
  • the cross-sectional area Q14 is arranged from above a stepped air channel 14.1 Passages 14.2 is wider or elongated than the cross-sectional area Q14 of laterally arranged next to the stepped air channel 14.1 passages 14.2.
  • Fig. 5 shows an arrangement with compared to Fig. 4 a plurality of centric Actuallyn Kunststoffauslässen 14.1 1 and with passages with different cross-section: the lower passages are at least partially elongated in the z-direction, and the upper passages are elongated in the x direction.
  • the stepped air duct is bordered on both sides by several lower passages, but not in pairs.
  • the number of lower passages on one side is different than the number of passages on the other side.
  • the passages stretched in the z-direction allow an advantageous relative arrangement, in particular very centrically (relatively small distance d2), and in particular also with an optimized flow profile.
  • the comparatively large cross section Q14 of the passage shown on the right side allows a strong flow effect of the introduced gas G1, in particular over a large height section.
  • FIG. 5 shows a distance d2 between an inner wall / edge of the corresponding passage 14.2 and an outer wall / edge of a stepped air duct 14.1, which is arranged in particular centrally in the heating cable, in the x-direction relative to one another.
  • This distance d2 according to the invention is very small, in particular 30 to 100 mm, preferably 50 to 70 mm.
  • the passages 14.2 according to the invention can be positioned as close as possible in the x direction next to it.
  • Fig. 6 shows an arrangement with two stage air ducts, which open separately in several height positions in the heating channel. All lower passages 14.2 below the uppermost Standn Kunststoffauslasses are arranged centrally, in particular symmetrically with respect to the central longitudinal axis. Above the stage air inlets 14.1 1, two further pairs of lower passages (four passages) in a width position (x) are arranged at least approximately corresponding to the width position of the step gas outlets 14.1 1. The paired passages can also be arranged at several height positions, also laterally next to each other.
  • the lower passages may alternatively be made narrower than the upper passages and / or narrower than the uppermost lower passages.
  • the uppermost lower passages may also be provided as individual passages (no pairs) and be arranged in such a width position that step gas can flow past / along the respective passage and can mix with the recirculated gas.
  • Fig. 7 shows an arrangement with two stage air ducts, which combine together in a vertical position between individual lower passages 14.2 open centrally into the heating channel, wherein in the respective stage air duct optionally further separate stage air outlets can be provided.
  • the central stage air inlet 14.1 1 extends in particular over a width which completely overlaps the upper passage above it.
  • the lower passages are arranged offset from each other in the x-direction by the offset x2.
  • the offset x2 also provides the advantage of a particularly wide, homogeneous flow (without a more strongly flowing core), in particular in the case of relatively wide passages 14.2 in the x-direction. The circulating current can thereby be made even more homogeneous.
  • a plurality of upper passages may be provided. Such an offset may also be provided in the arrangement shown in FIG.
  • FIG. 7 illustrates an offset x2 in the x direction.
  • This offset between adjacent passages 14.2 is in particular 50 to 100 mm and provides the advantage of a good heat distribution.
  • FIGS. 2, 3, 4, 5, 6, 7 all show a recirculation with a full circular current flow in a circle.
  • FIG. 8A schematically shows (in some heating channels) the arrangement of the inlets 16, 17, 18 opposite one another, and in the x-direction at a distance from the central longitudinal axis as close as possible to the rotor walls 15. This arrangement can be chosen at each of the heating channels, or even modified.
  • Fig. 8B it is shown that the inlets 16, 17, 18 are arranged in the x-direction further outward than the passages 14.2. The passages are arranged at a distance d14 to each other, which is smaller than the distance d15 of the inlets.
  • recirculated gas G4 which is flowed further farther outwards, in each case from admitted gas G1, G1a, Gib, flows around the center of the center, concentrically flowing step gas G5 on both sides.
  • the angle a shown in Fig. 8C, particularly concerning the coke oven gas inlet 18, is set excessively large for better understanding.
  • the angle ⁇ can be particularly small, in particular converge to zero or 0 °.
  • an angle in the range of 5 to 10 ° can be a rational compromise of additional constructive, plant engineering effort and achieved fluidic effect.
  • the passages 14.2 or the stepped gas inlet 14.1 1 shown in FIG. 8C can be varied in the arrangement, number and geometry according to the variants discussed in FIGS. 2 to 7.
  • the individual gas flows G1, G1a, G4, G5 shown in FIG. 8C show how a separation of the gas flows or a parallel flow can be realized according to the invention, at least over a certain height section.
  • the distance d14 of the passages 14.2 in the x-direction relative to each other is comparatively small, in particular smaller than 50, 45, 40, 35 or 30 percent of the width (x) of the heating channel.
  • the distance d15 of the coke oven gas inlet 18 to the further inlets 16, 17 in the x-direction is comparatively large, in particular greater than 70, 75, 80 or 85 percent of the width (x) of the heating channel.
  • the distance d15 is significantly greater than the distance d14, in particular at least 35, 40, 45, 50 or 55 percent greater.
  • the distance x14 of the respective passage 14.2 to the inner wall of the rotor wall 3 is comparatively large, in particular greater than 35, 40 or 45 percent of the width (x) of the heating channel (in pairwise passages).
  • the distance x14 is at least greater than 40 percent of the width (x) of the heating channel, in particular in the bottom area.
  • the distance x16, x18 of the inlet 6, 8 to the rotor wall 15 is comparatively small, in particular smaller than 20, 15 or 10 percent of the width (x) of the heating channel.
  • the distance x16, x18 is in each case smaller than the distance x14.
  • the distance x14 is at least twice or at least three times as large as the distance x16, x18.
  • the individual gas flows will be described below with reference to FIGS. 8B to 8E.
  • the respective gas flow path GP1 characterizes inflow paths according to the invention or flow paths for at least one of the gases G1 introduced via the inlets.
  • the respective gas flow path GP4 identifies flow paths according to the invention of recirculated exhaust gas / flue gas G4, and the respective gas flow path GP5 identifies flow paths of step-initiated gas G5 according to the invention.
  • the inflow angle a in particular for coke oven gas, illustrated in FIGS. 8C, 8E is preferably less than 30 °, in particular less than 10 °, in each case with respect to the z-axis.
  • the inflow angle ⁇ can be realized analogously for the other inlets 17, 18.
  • the respective y-position of the individual inlets may in particular be centric.
  • the distances and relative positions mentioned with respect to the respective inlets and passages may also be reciprocally related to the distances and relative positions of the respective gastric paths / circular flow paths, at least in one section upstream of a subsequent mixing with adjacent gas flows.
  • FIG. 9 shows a passage cross section in the yz plane.
  • the recirculated gas G4 flows through the respective lower passage 14.2 coming from above and also flows back upwards.
  • the gas G4 flows around two rounded flow edges 14.21, and flows past two sharp flow edges 14.22.
  • the partition 14 limits the passage at the top with a convex curvature down. This promotes a low flow resistance.
  • the partition 14 also limits the passage below.
  • the circular circulating current which here has a very narrow radius, can thus flow through the passage without strong turbulences and be redirected upward. Down one or more sharp edges 14.22 may limit flow. This type of flow optimization also makes it possible to achieve a great effect by means of the way in which the new gases are introduced.
  • the coke oven device 10 may have a control unit 20, configured for controlling / regulating one of the volume flows V (t) described above, in particular at least the volume flows G1, G1a, G1b, G4, G5, G6.
  • the control and adjustment of the volume flows allows influencing the flow and temperature profile in the respective heating channel 1 1, 12.
  • FIGS. 11, 12 show variants of the embodiment shown in FIG. In Fig. 11, some of the upper passages disposed above the uppermost stage air outlet are formed in pairs, with a single larger, wider lower passage being provided.
  • FIGS. 2 to 12 The positions of the passages shown in FIGS. 2 to 12 are shown by way of example. Each inlet can be arranged and aligned independently of the other inlets. The embodiments shown can in particular also be varied by varying the arrangement of the lower passages, or by dispensing with individual or all lower passages.
  • a variation of the arrangement and size of the passages in particular the passages arranged above the uppermost stage air outlet, and / or the passages arranged in a height position between individual stage air outlets, can be achieved by alternation done on paired passages.
  • the number of relien Kunststoffauslässe or the height positions with grading is not limited to the variants shown.
  • volume flow of the respective gas stream e.g. in m3 / h x horizontal direction (width or length)

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Koksofenvorrichtung (10) zum Herstellen von Koks durch Verkokung von Kohle bei minimierter Stickoxidemission durch Maßnahmen intern an der Koksofenvorrichtung, mit einer Vielzahl von Zwillingsheizzügen (13) jeweils mit einem beflammten Heizkanal (11) und einem abgasführenden Heizkanal (12), welche Heizkanäle jeweils paarweise durch eine Trennwand (14) voneinander abgegrenzt und durch zwei Läuferwände (15) von einer jeweiligen Ofenkammer (10.2) abgeschottet sind, wobei die paarweisen Heizkanäle strömungstechnisch mittels eines oberen koppelnden Durchlasses (14.2) für interne Abgasrezirkulation auf einem äußeren Kreisstrompfad (19, 19.1) aneinander gekoppelt sind, wobei im unteren Bereich am Boden (5.4) des jeweiligen Zwillingsheizzuges jeweils wenigstens ein Einlass aus der folgenden Gruppe vorgesehen ist: Koksofengas-Einlass (18), Verbrennungsluft-Einlass (16), Mischgas-Einlass (17); wobei wenigstens ein Abgasrezirkulations-Durchlass (14.2) zentrischer angeordnet ist als wenigstens einer der Einlässe und einen zentrischeren Strömungspfad (GP4) definiert. Dies ermöglicht verminderte Stickoxidemissionen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben der Koksofenvorrichtung.

Description

Koksofenvorrichtung mit zentrischer Rezirkulation zum Herstellen von Koks und Verfahren zum Betreiben der Koksofenvorrichtung sowie Steuerungseinrichtung und Verwendung Beschreibung:
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von Koks sowie eine Steuerungseinrichtung und entsprechende Verwendungen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des jeweiligen unabhängigen Anspruchs.
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: K. Wessiepe et al.: Optimization of Combustion and Reduction of NOx-Formation at Coke Chambers.... COKE MAKING INTERNATIONAL; 9, 2; 42-53; VERLAG STAHLEISEN MBH; 1997. Die Planung und der Bau von Koksöfen müssen vor langem Zeithorizont durchgeführt werden, zumal die Betriebsdauer bzw. Lebensdauer eines Koksofens auch recht lang sein kann, so dass es wichtig ist zu wissen, welche umwelttechnischen Verbesserungen sich in den nächsten Jahren bei Koksöfen realisieren lassen. Jedes Jahr werden noch heute, trotz immer strengerer Umweltkriterien, mehrere hundert Koksöfen neu gebaut und in Betrieb genommen. Gleichwohl ist auch den meisten Politikern mittlerweile gut bekannt, dass die Energiegewinnung mittels Koksöfen nicht sonderlich umweltfreundlich ist. An den Bau von neuen Koksöfen, oder auch an den Betrieb bestehender Koksöfen, werden daher von vielen Seiten zunehmend strenge Anforderungen an die Emissionen gestellt, insbesondere bezüglich Stickoxiden (NOx). In diesem Zusammenhang gibt es zahlreiche Bemühungen, die Effizienz der Verkokung oder die Umweltfreundlichkeit zu verbessern, wie z.B. in der folgenden Veröffentlichung und den darin zitierten Fachartikeln nachgelesen werden kann: A.J. Nowak et al.: CFD model of coupled thermal processes within coke oven battery .... Computer Assisted Mechanics and Engineering Sciences, 17: 161-172, 2010. Diese Veröffentlichung befasst sich mit der Simulation vorbekannter Optimierungs-Maßnahmen.
Als aktuell zulässige oder in bestehenden Anlagen noch tolerierte Emissions-Grenzwerte lassen sich nennen: 500mg/Nm3, entsprechend ca. 250ppm bei 5% Sauerstoff 02. Als zukünftige Grenzwerte lassen sich nennen: ca. 350mg/Nm3 (ca. 170ppm bei 5% 02) in Europa, oder bald wohl sogar nur noch ca. 200mg/Nm3 in Asien, insbesondere Japan, Korea, Taiwan und China. Anders ausgedrückt: Die NOx-Emission soll möglichst zeitnah wohl um die Hälfte oder mehr sinken. Einige Umweltbehörden fordern jedoch bereits jetzt einen oberen Grenzwert im Bereich von nur ca. 100mg/Nm3, insbesondere in Asien, was dem Faktor 5 entsprechen würde. In Hinblick auf immer strengere Anforderungen, insbesondere auch an dieselbetriebene Fahrzeuge, muss wohl auch für Europa erwartet werden, dass der zulässige Grenzwert schon in kurzer Zeit noch niedriger als 350mg/Nm3 sein wird.
Stickoxide werden insbesondere durch das durch Koksofengasverbrennung erzeugte Rauchgas freigesetzt bzw. bei der Verbrennung gebildet, insbesondere ab einer Düsensteintemperatur (im abgasführenden Heizkanal am Boden) von ca. 1.250°C (so genannte thermische NOx-Bildung). Die thermische NOx-Bildung wird mit höherer Temperatur exponentiell weiter begünstigt bzw. angefacht, so dass die Emission von Stickoxiden stark durch die thermischen Bedingungen im Koksofen bestimmt wird. Es ist bekannt, dass insbesondere in den vertikalen, rauchgasführenden Heizzügen des Koksofens durch Einstellen eines bestimmten Temperaturregimes Einfluss auf die NOx-Emission genommen werden kann. Dabei gilt die Faustformel: Je höher die Temperatur, desto stärker die NOx-Emission. Ein Ofenbetreiber ist also bemüht bzw. wird durch umwelttechnische Vorgaben dazu gezwungen, die Temperatur möglichst niedrig zu halten, insbesondere nicht über die Grenze von 1.250°C ansteigen zu lassen. Der Ofenbetreiber ist aber auch an einem effizienten Verkokungsprozess interessiert und wünscht sich einen Betriebsmodus bei Düsensteintemperaturen von bis zu 1.325°C; die Effizienz beim Verkoken steigt mit der Temperatur, und je höher die Betriebstemperatur, desto kompakter kann eine Ofenbatterie bei gleichem Output ausgelegt werden. Beispiel: Anstelle 100 Öfen müssen bei höherer 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).
Zum Senken der NOx-Emission wird demnach nur sehr ungern versucht, während der Verkokung ein abgesenktes Temperaturniveau zu realisieren bzw. Temperaturspitzen in den Heizzügen zu vermeiden, insbesondere durch Anpassen der Betriebsart, denn dies bringt Leistungsverluste mit sich und macht die Koksproduktion unwirtschaftlicher. Für die Ofenbetreiber ist es daher eher nicht interessant oder nicht realisierbar, den Koksofen nicht im optimalen Betriebszustand zu betreiben. Folglich wird 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 auf die NOx-Emissionen aus. Diese Randbedingungen muss ein Ofenbetreiber bei unterschiedlichen Arten von Koksöfen beachten. Insbesondere wird gemäß der Ausdrückrichtung des Kokses zwischen Vertikalkammeröfen und Horizontalkammeröfen unterschieden: 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.
Ofenkammern weisen üblicherweise eine Höhe im Bereich von 4 bis 8.5m auf, wobei die 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 Höhe 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 Temperaturmaximum deutlich über der Durchschnittstemperatur würde die thermische NOx- Bildung fördern. Ein Koksofen kann also dann bei einem optimalen Kompromiss aus hohem Output und niedrigen NOx-Emissionen betrieben werden, wenn die Temperatur homogen knapp unterhalb derjenigen Temperatur bleibt, ab welcher die thermische NOx-Bildung erfolgt.
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, mit entsprechendem Simulationsaufwand. Beispielsweise kann eine neue Konstruktion mit einer neuen Art und Weise einer Gasführung einen Rechenaufwand von mehreren Wochen je Rechnung bedeuten, so dass auch bei Simulationen ein Arbeitsaufwand von mehreren Jahren (bei z.B. über 100 erforderlichen Variationen) entstehen kann. Nicht nur eine Erprobung von neuen Maßnahmen im technischen Maßstab 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 durchgeführt werden. Bisher direkt am Koksofen bzw. an dessen konstruktivem Aufbau erprobte Maßnahmen, die auch bei leistungsoptimierter Betriebsart funktionieren 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. Die Stufen erfolgt dabei insbesondere in Hinblick auf folgende Kriterien: maximale Gassammeiraumtemperatur in der benachbarten Ofenkammer oberhalb der Kohlecharge muss kleiner 820°C sein; Deckenoberflächentemperatur muss möglichst kleiner gleich 60°C sein; Ofenkammerwandinnentemperaturdifferenz <= 40K, insbesondere zwischen den Höhenpositionen 500mm oberhalb der Ofensohle/Brennerebene und 500mm unterhalb der Ofenkammeroberkante. Eine Kreisstromführung (teilweise an 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 ca. 24 bis 40 Heizkanäle vorgesehen sein, also ca. 12 bis 20 Zwillingspaare. Ein optional realisierbarer Kreisstrom kann sich dabei aufgrund der Druckdifferenzen autonom ausbilden, also ohne zusätzliche aktive strömungstechnische Regelung oder Unterstützung. Das Optimieren einer Kreisstromführung insbesondere auch zwecks homogener Wärmeverteilung begann schon in den 1920er Jahren im industriellen Maßstab. Seit den 1970er Jahren wurden auch eingehender die Einflüsse der Kreisstromführung auf NOx- Emissionen untersucht. Die Konfiguration bisher in den meisten Fällen verwendeter Koksöfen mit Kreisstromführung lässt sich wie folgt beschreiben: In paarweisen Heizkanälen (Zwillingsheizzüge) wird in Strömungsrichtung aufsteigend, also im beflammten Heizkanal, nach oben ein Beheizungsgas geführt und dabei insbesondere mehrstufig verbrannt, welches dann als Rauchgas durch den parallelen, abgasführenden Heizkanal nach unten zurück zum Boden geführt und dort abgesaugt wird, wobei ein Teilvolumenstrom des inerten (ausgebrannten) Abgases im Kreislauf zurück in den nach oben führenden, beflammten Heizkanal geführt wird. Die Heizkanäle können dabei am oberen und unteren Ende jeweils mittels einer Abgasrezirkulations-Öffnung bzw. eines Durchlass aneinander gekoppelt werden, insbesondere im Bereich des Bodens der Ofenkammer zumindest annähernd auf demselben Höhenniveau wie die Einlässe. Hierdurch kann die mittlere Düsenstein-Temperatur im Heizzug kontrolliert werden und 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), mit dem Effekt, dass die sich die NOx- Emissionen absenken lassen. Beispielsweise kann die folgende Anordnung (Höhenposition) des unteren Durchlasses genannt werden: zwischen 0mm (also direkt auf dem Niveau der Brennerebene) bis 300mm oberhalb der Brennerebene. Dabei wird die Querschnittsfläche üblicherweise durch eine Lagenhöhe von ca. 120mm 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).
Derartige paarweise angeordnete und in vertikaler Richtung ausgerichtete Heizkanäle bzw. Zwillingsheizzüge ermöglichen also bei vergleichsweise geringem Aufwand eine Einflussnahme auf das Temperaturprofil, insbesondere bei spezifischer Anpassung der Kreislaufführung von Rauchgas. Dabei werden immer zwei Typen von Heizzügen/Heizkanälen unterschieden: aufwärts durchströmter, beflammter Heizkanal; abwärts durchströmter, abgasführender Heizkanal. Die paarweisen Heizkanäle sind im oberen Bereich über einen freien Öffnungsquerschnitt miteinander verbunden, also einen Durchlass, über welchen die Heizkanäle strömungstechnisch aneinander gekoppelt sind. Ein üblicherweise zurück in den beflammten Heizkanal geführter Teilvolumenstrom des Rauchgases beträgt bei Starkgasbeheizung z.B. 30 bis 45% des gesamten im aufwärts durchströmten Heizkanal erzeugten Rauchgasvolumens. Ein Beispiel für diese Anordnung von Zwillingsheizzügen mit Kreisstrom ist das so genannte Combiflame-Beheizungssystem, welches sich seit Ende der 80er Jahre etabliert hat. Dabei erfolgte eine Kombination der Luftstufung mit der Kreisstromführung. Zuvor bis Mitte der 1980er Jahre erfolgte entweder eine Luftstufung (Otto- System) oder eine Kreisstromführung (Koppers-System).
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. 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.
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 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 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 in einer Höhe von ca. 1 m über der Brennerebene, welcher Treibdruck sogar dazu führen kann, dass sich Fugen weiten und dadurch ungewünschte Bypass-Strömungen (in Verbindung mit Koksofengasübertritten und der damit einhergehenden CO-Bildung) zwischen einzelnen Heizzügen und (benachbarten) Ofenkammern entstehen. Das Gleichgewicht des Gasgemisches wird dadurch gestört: Insbesondere steht für zusätzliche im Heizkanal zu verbrennenden Gasmengen nur ein unzureichend hohe Luftmenge zur Verfügung. Auch führen unterschiedliche Befüllungszeitpunkte, beispielsweise jeweils versetzt um 12 Stunden, bei den benachbarten Ofenkammern zu unterschiedlichen Lateralkräften in den jeweiligen Wänden. Die Stabilität des Ofens hat daher auch bei Maßnahmen zur Reduktion der Emissionen eine hohe Priorität. Hohe Stabilität wird üblicherweise durch eine Nut-Feder-Anordnung der Steine erzielt. Diese Bauweise wird auch in Hinblick auf Dichtigkeit zur Vermeidung von Bypass-Strömungen und Vorverbrennung bevorzugt. Bei einer Batterie mit mehreren Ofenkammern, z.B. 40 oder 60 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, insbesondere an der relativ breiteren Seite der Ofenkammern. Drei Binderwände schotten zwei Kanäle voneinander bzw. einen Zwillingsheizzug von einem weiteren Zwillingsheizzug ab. Ein jeweiliger Heizkanal ist also durch zwei Läuferwand-Abschnitte und durch zwei Binderwände abgegrenzt. In der Ausdrückrichtung (Tiefe y) ist ein jeweiliger Heizkanal ca. 450 bis 550mm lang bzw. tief (Mitte bis Mitte). Eine Läuferwanddicke liegt dabei z.B. im Bereich von 80 bis 120mm. Eine Binderwanddicke liegt dabei z.B. im Bereich von 120 bis 150mm. 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.
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: 30% durch den bodenseitige Verbrennungslufteinlass, 30% durch den bodenseitigen Mischgaseinlass, und 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. 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.
Die zuvor genannte Veröffentlichung von K. Wessiepe betrachtet insbesondere auch Maßnahmen an Öfen mit Zwillingsheizzügen (zumindest mittels eines oberen Durchlasses aneinander gekoppelte Heizzüge), wobei in den 90er Jahren auch bereits herausgearbeitet wurde, dass die so genannte Kreisstrom-Anordnung Vorteile hinsichtlich einer möglichst niedrigen NOx-Konzentration liefern kann.
Beispielhaft genannt werden können die Patentschriften DE 34 43 976 C2 und DE 38 12 558 C2, in welchen die Frage einer optimalen Kreisstromrate und einer sinnvollen Höhenposition für gestufte Einleitung von Verbrennungsluft diskutiert wird, insbesondere am Beispiel des Koppers-Kreisstrom-Ofens. Darin wird auch erwähnt, dass eine Rückführung von Rauchgas in einer Höhenposition im Bereich der Heizzugsohle ein Absenken der Temperatur im jeweiligen Heizzug ermöglicht, mit dem Effekt einer Reduktion von NOx-Emissionen. In der Offenlegungsschrift CN 107033926 A von August 2017 wird eine Anordnung mit Zwillingsheizzügen mit gestufter Einleitung von Verbrennungsluft und mit Kreisstromöffnungen beschrieben, welche beidseitig seitlich vom Stufenluftkanal angeordnet sind.
Auch wurde mit einer bestimmten Art von Gasleit-Komponenten oder Füllkörpern experimentiert, um Einfluss auf die Wärmeverteilung im Koksofen nehmen zu können. Beispielsweise in der Patentschrift DE 39 16 728 C1 werden Beheizungsräume (Heizzügen) mit Einbauten in Form von durchlässigen Wabenkörpern bzw. Wabengittern oder Kugelschüttungen versehen, wobei abschnittweise auch bestimmte Arten der Rauchgasführung vorteilhaft sein sollen. Dabei geht es um eine Verbesserung der Strömungsverhältnisse in den Beheizungsräumen, und es wird auch vorgeschlagen, Verbrennungsluft in unterschiedlichen Höhenpositionen zuzuführen.
Auch mit bestimmten Beschichtungen zum effektiven Ableiten oder Rückstrahlen von Wärmeenergie von inneren Oberflächen wurde bereits experimentiert.
Die zuvor beschriebenen Maßnahmen direkt am oder im Koksofen bzw. Heizzug können hier als primäre Maßnahmen bezeichnet werden. 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. Ferner wurden sekundäre Maßnahmen erprob, die stromab vom Koksofen in nachgeschalteten Anlagenkomponenten durchgeführt werden können, beispielsweise die Verwendung selektiver Katalysatoren im Kamin (SCR oder DeNOx), oder die externe Rückführung bereits evakuierten Rauchgases aus dem Kamin zurück in den Koksofen. Unabhängig von der Frage, 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.
Ferner kann die Patentanmeldung DE 40 06 217 A1 genannt werden, in welcher die Kombination mehrerer Maßnahmen umfassend sowohl Maßnahmen an Regeneratoren im Mittelbau des Ofens als auch Maßnahmen für externen Rauchgas-Kreisstrom beschrieben wird, mit dem Ziel homogener Beheizungs-Zustände und geringer NOx-Emission auch bei hohen Ofenkammern.
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 erwogen worden. Das Einspritzen von Wasser oder Dampf ist jedoch nicht an beliebigen Stellen der Kammer möglich, sondern insbesondere nur zentral auf einer mittleren Höhenposition und hat 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. Jedoch scheint es aktuell noch undenkbar, dass insbesondere mit den zuvor beschriebenen internen, primären Maßnahmen, sei es jeweils allein oder kumulativ, die zuvor beschriebenen Anforderungen erfüllt werden können. Ein Absenken der NOx-Emissionen um den Faktor 2 bis 5 dürfte damit nicht realisierbar sein, zumindest nicht unter vertretbarem Aufwand, also nicht auf wirtschaftliche Weise.
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 wenigstens einer Rezirkulationsöffnung, insbesondere mit Kreisstromführung, insbesondere um die Option zu erhalten, den Koksofen bei leistungsoptimierter Betriebsart auch ganz ohne nachgeschaltete Anlagenkomponenten betreiben zu können. 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.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Koksofenvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Koksofenvorrichtung bereit zu stellen, womit NOx-Emissionen 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 durch Maßnahmen intern in den Heizzügen verringern lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Koksofenvorrichtung zum Herstellen von Koks durch Verkokung von Kohle oder Kohlemischungen, wobei die Koksofenvorrichtung eingerichtet ist zur minimierten NOx-Emission durch internen thermischen Energie- bzw. Temperaturausgleich mittels koksofeneigener Gase bzw. Gasströme durch primäre Maßnahmen intern an der Koksofenvorrichtung, mit einer Vielzahl von Zwillingsheizzügen jeweils mit einem mit Gas bzw. Verbrennungsluft beflammten (und daher aufwärts durchströmten) Heizkanal und einem abgasführenden abwärts durchströmten Heizkanal, welche Heizkanäle jeweils paarweise durch eine Trennwand bzw. Binderwand voneinander abgegrenzt und durch zwei einander gegenüberliegende Läuferwände von einer jeweiligen Ofenkammer der Koksofenvorrichtung abgeschottet sind, wobei die paarweisen Heizkanäle, insbesondere sowohl am oberen als auch am unteren Ende, strömungstechnisch mittels eines oberen koppelnden Durchlasses und wahlweise auch mittels eines unteren koppelnden Durchlasses jeweils für interne Abgasrezirkulation auf einem äußeren Kreisstrompfad aneinander gekoppelt sind, wobei im unteren Bereich am Boden des jeweiligen Zwillingsheizzuges jeweils wenigstens ein Einlass aus der folgenden Gruppe vorgesehen ist: Koksofengas-Einlass zum Einleiten von Koksofengas in den Heizkanal, Verbrennungsluft- Einlass, Mischgas-Einlass; wobei wenigstens ein Abgasrezirkulations-Durchlass in Bezug auf die Breite (x) des Heizkanals, also zwischen den Läuferwänden, zentrischer (näher zu einer Mittenlängsachse des Heizkanals) angeordnet ist als wenigstens einer der Einlässe und einen zentrischen bzw. zentrischeren Strömungspfad umströmt von wenigstens einem der über die Einlässe eingelassenen Gase definiert. Dieser Abgasrezirkulations-Strömungspfad ist zentrischer angeordnet als die entsprechenden Strömungspfade bzw. Einströmpfade der eingelassenen Gase. Die Rezirkulation zumindest oben erfolgt zentrischer als das Einströmen über die Einlässe. Durch diese Maßnahme zum relativen Positionieren der Rezirkulation kann in erster Linie die Wärmeverteilung im Heizkanal optimiert werden, insbesondere vergleichmäßigt werden, und zwar spiegelsymmetrisch bzw. gleichzeitig sowohl im aufwärts als auch im abwärts durchströmten Heizkanal. Dabei kann insbesondere der jeweilige Koksofengas-Einlass strömungstechnisch und wärmeenergietechnisch in Bezug auf wenigstens einen Durchlass oder Einlass angeordnet werden. Effekt: Einflussnahme auf die Wärmeverteilung und Gasdurchmischung insbesondere im Bodenbereich mittels interner Gasströme, also mittels interner strömungstechnischer Maßnahmen. Externe Maßnahmen sind nicht erforderlich. Die internen Maßnahmen können dabei rein passive Maßnahmen sein, insbesondere rein konstruktive Maßnahmen. Die Strömungsverhältnisse können sich dank konstruktiver Maßnahmen autonom einstellen. Dies erleichtert nicht zuletzt auch den Betrieb der Vorrichtung. Eine Steuerung/Regelung des Ofens kann vergleichbar zur bisheriger Art und Weise erfolgen.
Dabei kann die y-Position des jeweiligen Einlasses zwischen gegenüberliegenden Trennwänden bevorzugt jeweils zumindest annähernd zentrisch sein. Es hat sich gezeigt, dass die y-Position nachrangig nach der x-Position zu wählen ist und weitgehend unabhängig von der x-Position gewählt werden kann, insbesondere gemäß den jeweiligen konstruktiven Vorteilen oder in Abhängigkeit von einem gewünschten Einströmwinkel.
Der jeweilige obere Durchlass ist dabei unterhalb von einem optional vorhandenen Beheizungsdifferenzial angeordnet, insbesondere in einer sich in der xz-Ebene erstreckenden Trennwand. Öffnungen eines Beheizungsdifferenzials hingegen sind in einem sich in der xy- Ebene erstreckenden Trennschott angeordnet. Ein unterer Durchlass ist nicht notwendiger Weise vorgesehen. Durch die in einer xy-Ebene gesehen möglichst zentrische Anordnung des/der Durchlässe kann ein innenliegender, umströmter Kreisstrom auf einem zusätzlicher innenliegenden, umströmten Kreisstrompfad bereitgestellt werden, welcher außen (exzentrischer) umströmt wird von wenigstens einem eingelassenen Gas oder auch von einem außenliegenden Kreisstrom auf einem außenliegenden Kreisstrompfad.
Für den Fall dass eine Rezirkulation über einen oder mehrere untere Durchlässe nicht vorgesehen werden soll, kann der Begriff „Kreisstrom" bzw. „Kreisstrompfad" auch auf eine nicht vollumfänglich geschlossene, sondern z.B. nur über 180° oder 270° im Kreis geführte Strömung bezogen werden.
Diese Maßnahmen ermöglichen insbesondere eine verbrennungsinerte und mischungsverzögernde Zwischenschicht und ein Kühlen im Bodenbereich, und können direkt am Koksofen bzw. an dessen konstruktivem Aufbau vorgenommen werden, insbesondere am Beheizungssystem, ohne das Erfordernis nachgeschalteter Anlagenkomponenten. Dadurch kann insbesondere auch ein Temperaturmaximum zwischen der Brennerebene und dem untersten Durchlass abgesenkt werden. Insbesondere kann das Ziel erreicht werden, eine Temperaturdifferenz über die gesamte Höhe des Heizkanals deutlich unter 50K zu halten, bei einer mittleren Kohlechargen-Temperatur im Bereich von 1000°C und einer maximalen Temperatur im Bereich von 1050°C und jedenfalls kleiner 1 100°C. Mittels dieser Maßnahmen ist das Potential für eine NOx-Minderung im Bereich von 70 bis 80% in Bezug auf das aktuelle Niveau von 350 bis 500ppm NOx (bei 5% 02) realisierbar. Insbesondere kann ein Niveau von weniger als 100ppm NOx (bei 5% 02) realisiert werden. Auch kann die Feuerfestmaterialmenge um bis zu 5% Prozent gesenkt werden, bei gleichem Output. Somit ist diese technische Lösung auch in wirtschaftlicher Hinsicht sehr interessant. Ein Ofenbetreiber kann den Ofen mit hohem Output, bzw. bei hohen Düsensteintemperaturen, bei vergleichsweise geringer NOx-Emission betreiben.
Die in der vorliegenden Beschreibung beschriebenen Maßnahmen können insbesondere bezogen werden auf Koksöfen mit Kammerbetriebszeiten zwischen Befüllungsvorgang und Ausdrückvorgang zwischen 15h und 28h, bzw. auf Koksöfen mit einer Heizzugtemperatur bzw. Düsensteintemperatur im Bereich von ca. 1200 bis 1350 °C.
Bisher war es üblich, die entsprechende Rezirkulationsöffnung nahe zur Läuferwand hin anzuordnen. Ebenso war es üblich, die Einlässe am Boden zentrisch anzuordnen. Es hat sich im Rahmen der Untersuchungen zum Optimieren der NOx-Emissionen im Rahmen der vorliegenden Erfindung gezeigt, dass sich eine hohe Verbrennungstemperatur dadurch ergibt, dass das Koksofengas zusammen mit der Verbrennungsluft ein sehr heißes Gasgemisch schon in einem unteren Bereich der Ofenkammer bildet. Durch die erfindungsgemäße Positionierung der Einlässe können Temperaturspitzen vermieden werden. Diese Anordnung kann auch mit einem Beheizungsdifferential (Bypassströmung) oberhalb der Abgas-Wendepunkte (Durchlässe) ausgestattet sein. Wahlweise können nachgeschaltete Anlagenkomponenten die NOx-Emission noch weiter absenken, sofern dies noch wirtschaftlich realisierbar ist. Der Heizkanal kann dabei auch als Heiz-Schacht beschrieben werden. Der jeweilige Heizkanal ist nach unten hin durch den Boden abgegrenzt, welcher Boden auch als Brennerebene bezeichnet wird, auch wenn dort keine Brenner verwendet werden (Selbstzündung insbesondere bei über 800°C). Als Heizkanal ist dabei ein Begriff für einen ganz bestimmten Vertikalheizzug der beiden Vertikalheizzüge eines Zwillingsheizzuges zu verstehen. Als Heizzug ist dabei ein beliebiger der beiden Vertikalheizzüge eines Zwillingsheizzuges zu verstehen. In einem jeweiligen Betriebszustand des Koksofens ist ein Heizkanal entweder nach oben beflammt oder nach unten durchströmt. Ist es im entsprechenden Zusammenhang der Erläuterungen nicht relevant, in welcher Richtung das Gas strömt, so wird hier der Begriff Heizzug anstelle des Begriffs Heizkanal verwendet. Der Begriff Heizzug kann sich also auf den nach oben oder auf den nach unten durchströmten Heizkanal beziehen.
Als Kohlemischung ist dabei eine Mischung hauptsächlich aus verschiedenen Kohlesorten zu verstehen, wobei die Mischung beispielsweise auch wenigstens einen Zusatz aus der folgenden Gruppe umfassen kann: Petrolkoks, Öl, Bitumensorten z.B. in Form von Altreifen, Kohle- und Koksstaub, Binde- oder Verkokungshilfsmittel wie z.B. Melasse, Ölrückstände, zelluloseartige Zuschläge, Sulfit- oder Sulfatverbindungen oder -laugen, wobei die Mischung auch Biomasse aufweisen kann. Abstandsangaben werden bei Bezugnahmen auf Kanäle, Einlässe, Durchlässe oder Düsen jeweils auf die entsprechende Mittenlängsachse bezogen, und bei Mauerwerk oder Wänden jeweils auf eine Innenoberfläche, sofern nicht anders bezeichnet. Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Luft- bzw. Gasführung nicht nur bei Zwillingsheizzügen realisiert werden kann, sondern auch bei so genannten Vierzugöfen oder alternativen Anordnungen, bei welchen das Konzept von strömungstechnisch gekoppelten Heizzügen aufgegriffen und insbesondere bei jeweils paarweiser Kopplung der Heizzüge multipliziert wird.
Die eingeleitete Verbrennungsluft bzw. das Beheizungsgas dient zur Erzeugung der erforderlichen Prozesswärme, sei es im Bodenbereich, sei es in spezifischen gestuften Höhenpositionen. Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Anordnung auch einen Verzicht auf mehrere Stufenluft-Einlässe ermöglicht (indem insbesondere nur eine einzige Gasstufung vorgesehen wird), insbesondere bei Ofenkammerhöhen unter 8m. Eine erfindungsgemäße Abwandlung der Position der unteren, bodenseitigen Einlässe ermöglicht also an anderer Stelle eine Reduzierung des konstruktiven Aufwandes bzw. der Komplexität des Ofens.
Bevorzugt weist die jeweilige Trennwand eine Breite (Wandstärke) von 80 bis 200mm auf, weiter bevorzugt 120 bis 150mm. Bevorzugt weist die jeweilige Läuferwand eine Breite (Wandstärke) von 80 bis 120mm auf. Dies liefert jeweils eine ausreichend starke Isolierung und Stabilität.
In der Trennwand kann unabhängig von den einzelnen beschriebenen Optimierungs- Maßnahmen wenigstens ein Verbrennungsluft- bzw. Stufenluft-Einlass zum Einleiten von Verbrennungsluft aus einem in der Trennwand verlaufenden Stufenluftkanal in den Heizkanal in wenigstens einer Verbrennungsstufen-Höhenposition vorgesehen sein.
Der untere Bereich am Boden des Heizzuges kann dabei der Brennerebene entsprechen, oder auch einem Höhenbereich über maximal 2 bis 3 Lagen Steine eines gemauerten Ofens (2 bis 3 Wandlagen), bei einer Höhe einer jeweiligen Lage im Bereich von ca. 120mm. Der Bodenbereich gemäß der Definition der vorliegenden Beschreibung kann sich z.B. auch bis in eine Höhe von 1200mm erstrecken. Bevorzugt wird der Bodenbereich definiert als ein Bereich von der Brennerebene bis in eine Höhe von 100 bis max. 800mm oberhalb der Brennerebene. Höhenangaben in der vorliegenden Beschreibung beziehen sich dabei auf die Brennerebene, also auf den untersten Punkt eines jeweiligen Heizkanals. Ein unterer Durchlass ist ein Durchlass, der einen unteren Wendepunkt eines Kreisstroms oder einer Strömung definiert, insbesondere unterhalb von einem oberen Durchlass. Der jeweilige untere Durchlass muss nicht notwendigerweise im Bodenbereich angeordnet sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind alle Abgasrezirkulations-Durchlässe in Bezug auf die Breite (x) des Heizkanals zentrischer angeordnet als wenigstens einer der Einlässe, insbesondere als alle Einlässe. Dies liefert eine konsequente klare Separierung nach der Art der Gasströme, nämlich zentrisch geführtes Rezirkulationsgas, und exzentrisch geführtes nue eingelassenes Gas.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind alle Abgasrezirkulations-Durchlässe zentrischer angeordnet als wenigstens einer der Einlässe. Dies ermöglicht eine besonders effektive Entkopplung von den Läuferwänden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist wenigstens ein Abgasrezirkulations-Durchlass zentrischer angeordnet als alle Einlässe. Dies ermöglicht, die Läuferwände durch einen Gasteppich aus eingelassenem neuem Gas von rezirkuliertem Abgas abzuschotten. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind alle Abgasrezirkulations-Durchlässe zentrischer angeordnet als alle Einlässe. Dies liefert eine besonders effektive Anordnung.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind wenigstens zwei der Einlässe umfassend den Koksofengas-Einlass derart beidseitig des/der koppelnden Durchlässe näher zu den Läuferwänden angeordnet, dass der aus dem/den Durchlässen strömende Kreisstrom auf einem Kreisstrompfad weiter innen näher zur Mittenlängsachse des Heizkanales angeordnet ist als ein Einströmpfad der über die entsprechenden Einlässe eingeleiteten Gase. Hierdurch kann insbesondere eine zu abrupte Durchmischung von Koksofengas und Verbrennungsluft bzw. Mischgas verhindert werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind wenigstens zwei der Einlässe derart beidseitig der koppelnden Durchlässe näher zu den Läuferwänden angeordnet, dass der jeweilige Abgasrezirkulations-Durchlass zwischen den Einlässen seitlich umfasst bzw. abgegrenzt von den Einlässen angeordnet ist und sich im entsprechenden Heizkanal wenigstens drei oder vier aufwärts strömende Teilströme auf Strömungspfaden bilden, die zumindest über einen gewissen Höhenabschnitt (insbesondere im Höhenbereich von 0 bis 1000mm) zumindest annähernd parallel zueinander oder zumindest nebeneinander verlaufen und zu einer verzögerten Durchmischung in diesem Höhenabschnitt führen. Erst oberhalb dieses Höhenabschnittes erfolgt eine vollständigere Durchmischung. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der jeweilige Koksofengas-Einlass angrenzend zur korrespondierenden Läuferwand angeordnet, und/oder der jeweilige Verbrennungsluft-Einlass ist gegenüberliegend vom Koksofengas-Einlass angrenzend zur korrespondierenden Läuferwand angeordnet. Diese Anordnung möglichst nahe relativ zur Läuferwand ermöglicht eine zentrische Rezirkulation auch in einem Bodenbereich, was Vorteile hinsichtlich homogener Wärmeverteilung liefert. Insbesondere hat sich gezeigt, dass die Durchmischung der einzelnen Gasströme dadurch verzögert bzw. weiter in eine höhere Höhenposition verlagert werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der jeweilige Verbrennungsluft- und/oder Mischgas- Einlass angrenzend zur korrespondierenden Läuferwand angeordnet und der jeweilige Abgasrezirkulations-Durchlass ist mittig angeordnet, insbesondere spiegelsymmetrisch in Bezug auf eine Mittenlängsachse im jeweiligen Heizkanal. Diese Kombination von Optimierungs-Maßnahmen liefert einen besonders starken Effekt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die jeweilige Trennwand wenigstens einen weiteren koppelnden unteren und/oder oberen Durchlass auf, welcher in einer mittigeren Höhenposition (mittiger in z-Richtung) näher zur Höhenmitte der Heizkanäle als der außenliegende Kreisstrompfad angeordnet ist und eingerichtet ist zum Bilden einer inneren inerten Zwischenschicht auf einem/dem zentrischen Strömungspfad zwischen den Gas- und Luftvolumenströmen. Hierdurch kann die Temperaturverteilung vergleichmäßigt werden, insbesondere auch im Bodenbereich. Insbesondere hat sich gezeigt, dass mittels zusätzlicher Rezirkulations-Durchlässe Temperaturspitzen in spezifischen Höhenpositionen effektiv vermieden werden können, insbesondere ohne eine Schwächung des Heizwandverbundes zu riskieren. Anders ausgedrückt: In der Trennwand zwischen den Heizkanälen kann mittels Gas eine wärmeisolierende Zwischenschicht gebildet werden, durch welche hindurch ein Teilvolumenstrom von Abgas/Rauchgas aus dem absteigenden Heizkanal leitbar ist und wieder zurück in den aufsteigenden Heizkanal führbar ist, wobei mittels der Zwischenschicht ein verbrennungsinerter Zwischenstrom mit verbrennungsverzögernder Wirkung generierbar ist.
Erfindungsgemäß kann bereits mittels eines einzigen zusätzlichen Durchlasses ein spürbarer Effekt zur NOx-Reduktion erzielt werden. Abgas bzw. ein größerer Abgas-Volumenstrom kann derart in den aufwärts durchströmten Heizkanal geleitet werden, insbesondere an unterschiedlichen Höhenpositionen, insbesondere weit unten im Bodenbereich, dass die lokale Temperatur gesenkt und das Temperaturprofil in der Breite und/oder in der Höhe vergleichmäßigt wird.
Erfindungsgemäß kann die jeweilige Trennwand weiter oben wenigstens einen weiteren koppelnden Durchlass aufweisen, welcher weiter innen näher zur Höhenmitte der Heizkanäle als der außenliegende Kreisstrompfad angeordnet ist und eingerichtet ist zum Bilden einer (verbrennungstechnisch oder durchmischungstechnisch wirkenden) inneren inerten Zwischenschicht zwischen den Gas- und Luftvolumenströmen. Dies ermöglicht ein homogenes Temperaturprofil auch an höheren Höhenpositionen.
Es hat sich gezeigt, dass es für die Strömungsverhältnisse vorteilhaft ist, dass wenigstens ein zusätzlicher Abgasrezirkulations-Durchlass (für rückgeführten Abgasvolumenstrom durch die Binderwand zurück in den aufwärts durchströmten Heizkanal) in einer Höhenposition zwischen den Stufenluft-Einlässen und den bodenseitigen Gaseinlässen des Heizkanals angeordnet ist. Erfindungsgemäß kann durch internes Einleiten von intern wiederverwendetem inertem Abgas eine inerte Trennschicht gebildet werden, mit wärmeisolierender Funktion, mit dem Effekt einer verzögerten, späteren Durchmischung. Insbesondere kann eine trennende laminare Schicht gebildet werden, welche eine Quervermischung verhindert oder zumindest etwas weiter nach oben in eine höhere Höhenposition verlagert.
Dabei beruht die Erfindung auch auf der Erkenntnis, dass das Abgas zusätzlich auch in eine mittlere Höhenposition des jeweiligen Heizkanals geführt werden kann, bei geringerem Druckunterschied als am oberen und unteren Ende, im Sinne eines in Bezug auf die am weitesten außen liegenden Abgasrezirkulations-Durchlässe weiter innenliegenden Bypass. Der weiter innen liegende, vom äußeren Kreisstrom umschlossene Bypass oder Kreisstrom beeinträchtigt dabei den äußeren Kreisstrom nicht oder nicht spürbar, insbesondere aufgrund der geringeren Druckdifferenz. Gleichwohl kann eine Einflussnahme auf den Wärmeübergang oder die örtliche Temperatur auf effektive Weise erfolgen.
Insbesondere hat sich gezeigt, dass auch bei einem oder mehreren inneren Kreisstrompfaden kein Risiko besteht, den äußeren Kreisstrom kurzzuschließen oder zu stark im Volumenstrom zu vermindern. Ein Kurzschluss mit dem äußeren Kreisstrom oder zwischen einzelnen Durchlässen kann insbesondere dadurch effektiv vermieden werden, dass eine Beabstandung zwischen den Durchlässen und/oder die Durchmesserverhältnisse auf die Druckverhältnisse im jeweiligen Ofen angepasst wird. Auch ein Risiko, dass sich ein Kreisstrom in entgegengesetzter Richtung ausbildet, kann kontrolliert werden, insbesondere indem ein Strömungsimpuls der eingelassenen Gase genutzt wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die jeweilige Trennwand wenigstens einen weiteren koppelnden unteren und/oder oberen Abgasrezirkulations-Durchlass auf, welcher in einer mittigeren Höhenposition näher zur Höhenmitte der Heizkanäle als der außenliegende Kreisstrom angeordnet ist und eingerichtet ist für einen zusätzlichen inneren Bypass-Kreisstrom (zusätzliche Rezirkulation) nach oben oder nach unten zum Bilden einer (verbrennungstechnisch oder durchmischungstechnisch wirkenden) inneren inerten Zwischenschicht zwischen den Gas- und Luftvolumenströmen auf einem zusätzlichen inneren Bypass-Kreisstrompfad, wobei die innere inerte Zwischenschicht bevorzugt umgrenzt ist vom äußeren Kreisstrompfad.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die jeweilige Trennwand eine Mehrzahl von weiteren koppelnden Abgasrezirkulations-Durchlässen auf, welche ober- und unterhalb wenigstens einer Luftstufe in der Trennwand angeordnet sind und eingerichtet sind für wenigstens zwei zusätzliche Bypass-Kreisströme weiter innen näher zur Höhenmitte der Heizzüge als der außenliegende Kreisstrom um eine oder mehrere der Luftstufen herum, zum Bilden von einer oder mehreren (verbrennungstechnisch oder durchmischungstechnisch wirkenden) inneren inerten Zwischenschichten zwischen den Gas- und Luftvolumenströmen auf einem zusätzlichen inneren Bypass-Kreisstrompfad, wobei die jeweilige innere inerte Zwischenschicht bevorzugt umgrenzt ist vom äußeren Kreisstrompfad. Dies ermöglicht eine gestufte Einflussnahme auf das Strömungs- und Temperaturprofil in unterschiedlichen Höhenpositionen, unabhängig von Stufenluftkanälen.
Eine Quervermischung rückgeführter Abgase mit neu eingeleiteten Gasen kann erfindungsgemäß verhindert oder zumindest verzögert werden, insbesondere dank vornehmlich laminarer Strömungsverhältnisse in wenigstens einer inerten Zwischenschicht. Das Verzögern der Quervermischung kann in Abhängigkeit der Strömungsverhältnisse mehr oder weniger effektiv erfolgen, insbesondere jedoch zumindest derart, dass eine Quervermischung frühestens oberhalb der einer NOx-Bildungszone erfolgt. Das energetisch und wirtschaftlich vorteilhafte Konzept der Kreisstromführung kann dabei vorteilhafter Weise auch dann weiterhin voll ausgenutzt werden, wenn eine sehr hohe Flammentemperatur vorherrscht, also bei Starkgasbeheizung.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die unteren und wahlweise auch die oberen Abgasrezirkulations-Durchlässe in Höhenrichtung über wenigstens 2 bis 5, insbesondere über wenigstens 3 bis 4 Wandlagen ausgebildet, und/oder über maximal 8 bis 10 Wandlagen. Dies liefert einen guten Kompromiss zwischen ausreichender Stabilität der Konstruktion und adäquatem Strömungswiderstand bzw. Strömungsgeschwindigkeit des rezirkulierten Gases. Gemäß einem Ausführungsbeispiel erstreckt sich der jeweilige untere/unterste Abgasrezirkulations-Durchlass über mehrere Wandlagen bzw. Feuerfestlagen in Höhenrichtung, insbesondere über wenigstens 2 bis 5 Wandlagen. Dies ermöglicht auch ein adäquates Strömungsprofil. Auch kann auf einfache Weise eine Integration in eine bestehende Konstruktion erfolgen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die innere inerte Zwischenschicht in x-Richtung weiter innen bzw. zentrischer angeordnet als die Strömungspfade der einströmenden Gase und weiter mittig bzw. in einer mittigeren Höhenposition als der äußere Kreisstrompfad. Dies begünstigt die gestufte Einflussnahme in der jeweils relevanten Höhenposition. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Abgasrezirkulations-Durchlässe im Bereich der mittigen Breite (x) des Heizkanals angeordnet, insbesondere in einem x-Abstand zur Mittenlängsachse von weniger als 30 oder 20 oder 10% der Breite des Heizkanals. Hierdurch ergeben sich zuvor bezüglich der inerten Zwischenschicht erläuterte Vorteile. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der jeweilige untere Abgasrezirkulations-Durchlass zwischen dem jeweiligen Koksofengas-Einlass und dem jeweiligen Verbrennungsluft- und/oder Mischgas-Einlass angeordnet. Dies ermöglicht die zuvor erläuterte Einflussnahme auf das Temperatur- und Strömungsprofil insbesondere im Bodenbereich, insbesondere eine Separierung der einzelnen Gasströme.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der jeweilige Koksofengas-Einlass näher als die drittel Breite des Heizzuges (x-Abstand zwischen gegenüberliegenden Läuferwänden) zur Läuferwand hin angeordnet, insbesondere in einem x-Abstand von 10 bis 350mm, insbesondere weniger als 300mm zu einer Innenoberfläche der Läuferwand, wobei der jeweilige untere Abgasrezirkulations-Durchlass näher als die drittel Breite des Heizzuges zum Zentrum bzw. zur Mittenlängsachse des Heizzuges hin angeordnet ist, insbesondere in einem x-Abstand von 30 bis 300mm. Dies liefert eine effektive Separierung der Gasströme. Die Strömungspfade können parallel verlaufen, ohne dass oder bevor eine Quervermischung erfolgt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der jeweilige Verbrennungsluft-Einlass und/oder Mischgas-Einlass näher als die drittel Breite des Heizzuges (x-Abstand zwischen gegenüberliegenden Läuferwänden) zur Läuferwand hin angeordnet, und der jeweilige untere Abgasrezirkulations-Durchlass ist näher als die drittel Breite des Heizzuges zum Zentrum des Heizzuges hin angeordnet, insbesondere in einem x-Abstand von 30 bis 300mm. Dies liefert eine effektive Separierung der Gasströme. Die Strömungspfade können parallel verlaufen, ohne dass oder bevor eine Quervermischung erfolgt.
Es hat sich insbesondere im Rahmen von Strömungsversuchen gezeigt, dass eine Verlagerung der unteren Abgasrezirkulations-Durchlässe näher zum Heizzug-Zentrum hin eine Separierung von einströmenden Gasen und eine Verminderung von Quervermischung ermöglicht. Dadurch kann gezielter Einfluss auf die Temperaturverteilung genommen werden, insbesondere in ausgewählten Höhenpositionen. Es hat sich gezeigt, dass sich dadurch eine vergleichsweise niedrige, homogene Verbrennungstemperatur T2 insbesondere im unteren Bereich der Ofenkammer einstellen lässt, mit positivem Effekt auf die NOx-Emission.
Gemäß einer Variante ist der jeweilige Koksofengas-Einlass näher zur korrespondierenden Läuferwand angeordnet als der jeweilige untere Abgasrezirkulations-Durchlass, insbesondere mit dessen Mittenlängsachse in einem Abstand von 10 bis 350mm, insbesondere weniger als 300mm zu einer Innenoberfläche der Läuferwand. Dies kann auch konstruktive Vorteile liefern.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist je Zwillingsheizzug wenigstens ein weiterer unterer Abgasrezirkulations-Durchlass oder wenigstens ein weiteres Paar von unteren Abgasrezirkulations-Durchlässen vorgesehen, insbesondere in wenigstens einer weiteren Höhenposition oberhalb des (ersten) unteren koppelnden Durchlasses, insbesondere unterhalb wenigstens eines Stufenluft-Einlasses. Dies ermöglicht gezielte Einflussnahme auf das Temperatur- und Strömungsprofil in ausgewählten Höhenpositionen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind je Zwillingsheizzug zwischen zwei Stufenluft-Einlässen bis zu fünf weitere untere Abgasrezirkulations-Durchlässe oder bis zu fünf Paaren von unteren Abgasrezirkulations-Durchlässen vorgesehen. Dies liefert eine besonders große Flexibilität bei der Einflussnahme in der jeweiligen Höhenposition.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind je Zwillingsheizzug wenigstens zwei weitere Paare von unteren Abgasrezirkulations-Durchlässen in wenigstens zwei weiteren Höhenpositionen über einem untersten Paar von Durchlässen vorgesehen, insbesondere drei bis sieben Paare von unteren Abgasrezirkulations-Durchlässen in drei bis sieben weiteren Höhenpositionen. Dies liefert eine große Variabilität mit bis zu sieben inneren Kreisströmen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind je Zwillingsheizzug bis zu zehn weitere untere Abgasrezirkulations-Durchlässe oder bis zu zehn Paare von unteren Abgasrezirkulations- Durchlässen in weiteren Höhenpositionen unterhalb von dem/den Stufenluft-Einlässen angeordnet. Dies ermöglicht eine Verteilung des rezirkulierten Gases derart, dass der Kreisstrom sich homogen ausbilden kann und die Gase sich in der jeweiligen Höhenposition nach und nach miteinander vermischen können. Eine höhere Anzahl von Durchlässen eröffnet auch die Option, die Durchlässe ohne zu enge Randbedingungen geometrisch auf den gewünschten Strömungszustand anzupassen.
Der Begriff Stufenluft wird hier synonym zum Begriff Stufengas verwendet. Ein Stufenluftkanal kann also auch Gas ungleich Luft führen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist je Zwillingsheizzug wenigstens ein weiterer unterer Abgasrezirkulations-Durchlass oder wenigstens ein weiteres Paar von unteren Abgasrezirkulations-Durchlässen in wenigstens einer weiteren Höhenposition zwischen wenigstens zwei Stufenluft-Einlässen angeordnet. Dies ermöglicht eine Optimierung durch Kombination von Kreisstrompfaden von rezirkuliertem Gas und Einströmpfaden von Stufengas.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist je Zwillingsheizzug wenigstens ein weiterer unterer Abgasrezirkulations-Durchlass oder wenigstens ein weiteres Paar von unteren Abgasrezirkulations-Durchlässen sowohl unterhalb als auch oberhalb von dem oder von allen Stufenluft-Einlässen angeordnet. Dies liefert besonders hohe Variabilität.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist je Zwillingsheizzug wenigstens ein weiterer unterer Abgasrezirkulations-Durchlass oder wenigstens ein weiteres Paar von unteren Abgasrezirkulations-Durchlässen in wenigstens einer weiteren Höhenposition oberhalb von dem oder von allen Stufenluft-Einlässen angeordnet. Dies ermöglicht auch einen inneren Kreisstrom(pfad) entkoppelt von gestuft eingeleitetem Gas.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind je Zwillingsheizzug bis zu fünf weitere obere Abgasrezirkulations-Durchlässe oder bis zu fünf weitere Paare von oberen Abgasrezirkulations- Durchlässen oberhalb von dem oder von allen Stufenluft-Einlässen angeordnet. Dies liefert besonders hohe Variabilität.
Durch die zuvor beschriebenen Maßnahmen kann eine erhöhte Verweilzeit und ein vollständigerer Ausbrand sichergestellt werden, insbesondere bei vermindertem CO-Anteil, und auch ein höherer und in vertikaler Höhenrichtung homogenerer Wärmeeintrag in die Ofenkammer erzielt werden. Insbesondere hat sich gezeigt, dass bei einer Abgasrezirkulation von mehr als 50% sichergestellt werden kann, dass die brennbaren Gasbestandteile vollständig zu Abgas verbrennen. Dadurch kann der Energiegehalt des Mediums besser genutzt werden, insbesondere kontinuierlich über den zeitlichen Verlauf. Dadurch kann auch der CO-Anteil von üblicherweise 200 bis 400ppm im Abgas weiter verringert werden.
Sind die Abgasrezirkulations-Durchlässe oberhalb von allen Stufengaseinlässen angeordnet, so kann ein Teil des heißen Abgases bereits vor der Umkehrstelle in den abwärts durchströmten Heizkanal geführt werden, was positive Einflüsse auf die Temperaturführung insbesondere auch im Gassammeiraum oberhalb der Charge hat. Hier sind üblicherweise 800 bis 820°C nicht zu überschreiten (Rußbildung, chemische Qualität des Rohgases). Durch weiter unten rückgeführtes Abgas kann auch die Temperatur der jeweiligen Ofenkammer abgesenkt werden. Die Abgasrezirkulations-Durchlässe können jeweils paarweise oder einzeln vorgesehen sein, also auch bei ungerader Anzahl, z.B. drei oder fünf weitere Abgasrezirkulations-Durchlässe.
Es hat sich gezeigt, dass je nach Bauart der Koksofenvorrichtung eine Anzahl zwischen zwei und zehn weiterer Abgasrezirkulations-Durchlässen vorteilhaft ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind zwischen den einzelnen Durchlässen jeweils wenigstens zwei Zwischenlagen vorgesehen. Dies liefert auch gute Stabilität. Eine derartige Stabilisierung des aus Läufer- und Binderwand bestehenden Heizwandverbundes ist hinsichtlich Standfestigkeit gegenüber Kohle-Treibdrücken vorteilhaft (Maximum bei etwa 75% des Garungszyklus). Koksöfen werden üblicherweise lagenweise aufgebaut, mit Lagenhöhen inklusive Fuge zwischen 100 und 160mm, insbesondere ca. 120 bis 130mm. Die Baulehre für Koksöfen lehrt eine Verbindung möglichst aller Steine einer Heizwand über eine Nut-Feder- Verbindung, bzw. mittels Nut- und Federwölbung. Ist eine große Durchlass-Querschnittsfläche über mehrere Lagen wünschenswert, wird der Heizwandverbund geschwächt, und es besteht ein Risiko hinsichtlich Deformation und Rohgasübertritten aus der Ofenkammer durch sich aufweitende Fugen. Dies kann nachteiliger Weise zu CO-Bildung infolge unzureichend vorhandener Verbrennungsluftmengen im Heizkanal führen. Daher ist eine hohe Stabilität in lateraler (horizontaler) Richtung sehr wichtig. Auch in vertikaler Richtung ist eine Vorspannung der Heizwand erwünscht, um den Heizwandverbund vor vertikalem Durchbiegen zu schützen. Daher wird auch auf den Ober- und Unterseiten der Steine eine Nut-Feder-Verbindung bevorzugt. Die vertikale Vorspannung der Heizwand erfolgt insbesondere über ein hinreichend großes Deckengewicht. Weitere große Belastungskräfte auf den Wandverbund treten beispielsweise beim horizontalen Ausdrücken der Kokscharge am Ende des Garungszyklus durch einen durch die Kammer hindurchfahrenden Stahlstempel auf und müssen durch eine hinreichend große Vorspannung des Heizwandverbundes in lateraler und vertikaler Richtung berücksichtigt werden. Zusätzlichen Durchlässe, insbesondere solche mit vergleichsweise großen Querschnittsflächen, bedürfen daher ausgereifter Überlegungen zur Stabilität und Langlebigkeit eines Ofens.
Gemäß einer Variante sind die Rezirkulations-Durchlässe wie folgt angeordnet: jeweils eine Wandlage mit einem Rezirkulations-Durchlass und darüber eine verbundstabilisierende Feuerfestmateriallage ohne Durchlass, immer abwechselnd bis z.B. max. zehn Durchlässen; oder jeweils eine Wandlage mit einem Rezirkulations-Durchlass und darüber zwei verbundstabilisierende Feuerfestmateriallagen ohne Durchlass und daraufhin eine Wandlage mit einem Rezirkulations-Durchlass und darüber eine oder zwei verbundstabilisierende Feuerfestmateriallagen ohne Durchlass. Dies liefert eine gute Stabilität. Die Durchlässe sind vergleichsweise klein, können aber gut integriert werden in die Bauform des Ofens.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist in der Trennwand wenigstens ein insbesondere zentrisch angeordneter Stufenluftkanal mit wenigstens einem Stufenluft-Einlass ausgebildet, insbesondere mit wenigstens einem Stufenluft-Einlass oberhalb von wenigstens einem Rezirkulations-Durchlass. Dies eröffnet weitere Möglichkeiten der Einflussnahme auf das Strömungs- und Temperaturprofil. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind in der (jeweiligen) Trennwand wenigstens zwei insbesondere parallel angeordnete Stufenluftkanäle ausgebildet, welche sich oberhalb des oberen/obersten Abgasrezirkulations-Durchlasses vereinigen und in einem obersten Stufenluft- Einlass oberhalb aller Abgasrezirkulations-Durchlässe in den beflammten Heizkanal münden. Dies ermöglicht z.B. auch eine Optimierung der Temperatur- und Strömungsprofile mittels gestuft eingeleitetem Gas an unterschiedlichen Breiten-Positionen bzw. (x)-Positionen. Dabei lässt sich der vereinte Durchlass auf einfache Weise von oben von der Decke per Justierorgan oder Schieber justieren. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind in wenigstens einer der Trennwände wenigstens zwei insbesondere parallel angeordnete Stufenluftkanäle ausgebildet, welche oberhalb des oberen/obersten Abgasrezirkulations-Durchlasses in zwei obersten Stufenluft-Einlässen oberhalb aller Abgasrezirkulations-Durchlässe in den beflammten Heizkanal münden. Hierdurch kann das gestuft eingeleitete Gas homogen über die Breite (x-Richtung) in den Heizkanal eingeleitet werden.
Die redundante Ausführung der Stufenluftkanäle, sei es jeweils mit separatem Einlass oder mit einem gemeinsamen Einlass, liefert den Vorteil, dass der Kreisstrom insbesondere im unteren Bereich des Heizkanals beliebig weit ins Zentrum gerückt werden kann und damit sehr effektiv von den eingelassenen Gasen entkoppelt werden kann. Hierbei können sich auch konstruktive Vorteile ergeben, auch Kostenvorteile beim Bau der Vorrichtung, oder Vorteile für den Betrieb. Auch die Stufenluftkanäle können nach außen verlegt werden, so dass ein inerter Abgasstrom möglichst zentrisch (zumindest zentrischer als die weiteren Gase) mittels rezirkulierten Gasen ausgebildet werden kann. Auch kann eine vorteilhafte Sekundärwärmeverteilung erzielt werden. Nicht zuletzt ergeben sich konstruktive Vorteile.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der jeweilige untere/unterste Abgasrezirkulations- Durchlass in einem Abstand von mindestens 50mm über dem unteren Bereich bzw. über dem Boden des Heizkanals angeordnet. Hierdurch kann ein guter strömungstechnischer Effekt insbesondere in Abstimmung mit der Anordnung der Einlässe erzielt werden. Insbesondere wird eine Unterkante des untersten Rezirklationsdurchlasses im Bereich 0 bis 150 mm über der Brennerebenen angeordnet, darüber eine stabilisierende Trennlage mit einer Höhe von ca. 120 bis 130mm, darüber ein weiterer Durchlass mit einer Mindesthöhe von z.B. ca. 120mm, wobei sich dieser Wechsel zwischen Durchlass und Trennlage bis in eine Höhe von 800mm erstrecken kann. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Koksofengas-Einlass bzw. der entsprechende Gaszug (Düse oder Rohr) in einem Abstand zur Mittenlängsachse von mindestens 50% der Breite des Heizkanals angeordnet. Diese Beabstandung liefert eine effektive Entkopplung von den zentrischer angeordneten Strömungspfaden der Rezirkulations-Gase.
Gemäß einer Variante ist die Stufung nur im aufsteigenden Heizkanal vorgesehen.
Gemäß einer Variante sind wenigstens drei zusätzliche koppelnde Abgasrezirkulations- Durchlässe vorgesehen, wobei wenigstens zwei innere zusätzliche Kreisströme ausgebildet werden, wobei oberhalb und unterhalb einer Gasstufe (Auslass eines Stufenluftkanals) jeweils ein Abgasrezirkulations-Durchlass vorgesehen ist. Dies ermöglicht eine effektive Kombination der Maßnahmen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind der Verbrennungsluft-Einlass und/oder Mischgas- Einlass und/oder Koksofengas-Einlass in einem Winkel von 0° in Bezug auf die Mittenlängsachse des Heizkanals (bzw. in Bezug auf eine Normale zum Boden oder in Bezug auf die Vertikale) oder in einem Winkel kleiner 30°, insbesondere kleiner 20° oder kleiner 10° in Bezug auf die Vertikale (z) ausgerichtet, insbesondere alle Einlässe in derselben Richtung geneigt oder ausgerichtet. Diese möglichst vertikal nach oben ausgerichtete Ausrichtung ermöglicht eine zentrisch angeordnete Flamme, was Vorteile hinsichtlich der Temperaturverteilung liefert. Hierdurch können die Abgas-Volumenströme zentrisch und nahezu lotrecht nach oben, also in Normalenrichtung in vertikaler Höhenrichtung z im Heizkanal einströmen, und die neuen, eingelassenen Gase können einen Gasteppich zur Abschottung bilden. Die Volumenströme prallen, im Gegensatz zu einer stark geneigten Ausrichtung, nicht gegen die Wände. Hierdurch kann die Verbrennung auf das Heizkanalzentrum gerichtet werden, also nicht an die äußeren Flächen, wodurch moderate Temperaturen eingestellt werden können. Lokale Temperaturspitzen können effektiv vermieden werden. Es hat sich gezeigt, dass der jeweilige Einströmimpuls dabei besonders vorteilhaft für zusätzliches Ansaugen von Rauchgas aus dem unbeflammten Heizkanal oder für eine gezieltere Durchmischung der Gase genutzt werden kann. Der jeweilige Einströmimpuls kann an die weiteren Gase abgegeben werden, dissipiert also nicht an den Wänden. Im Gegensatz dazu sind die Einlässe bei bisherigen Öfen üblicherweise schräg in einem großen Neigungswinkle von über 30° ausgerichtet. Es hat sich gezeigt, dass der Einströmimpuls des jeweiligen Gases bei dieser Ausrichtung nicht besonders effektiv genutzt werden, insbesondere nicht zum Ansaugen von Rauchgas aus dem unbeflammten Heizkanal. Die erfindungsgemäße Ausrichtung ermöglicht besonders hohe Rezirkulationsraten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen der jeweilige Verbrennungsluft-Einlass und/oder der jeweilige Mischgas-Einlass und/oder der jeweilige Koksofengas-Einlass eine Querschnittsfläche von maximal 0.06m2 auf, insbesondere auch bei Ofenkammerhöhen über 6m. Bei dieser Obergrenze kann sichergestellt werden, dass das eingelassene Gas mit einem gewissen Mindestimpuls oder einen gewissen Mindestgeschwindigkeit in den Heizkanal einströmt, so dass mittels der Einlässe auf effektive Weise Einfluss auf die Strömungszustände im Heizkanal genommen werden kann. Durch eine derart vergleichsweise kleine Querschnittsfläche kann eine hohe Injektor-Wirkung erzielt werden. Insbesondere können die Gase derart eingelassen werden, dass die Kreisstromrate bzw. der Anteil des rezirkulierten Gases erhöht wird. Durch derart verringerte oder kleine Querschnitte kann der Eintrittsimpuls der Medien auch derart erhöht werden, dass die Rate des rückgeführten Abgases erhöht werden kann, insbesondere von ca. 30 bis 45% auf ca. 50 bis 80% bei Koksofengasbeheizung. Es kann eine hohe Strömungsgeschwindigkeit eingestellt werden, mit dem Effekt, dass sich der Volumenstrom eingesaugten bzw. mitgerissenen Abgases erhöht. Insbesondere können hohe Einströmgeschwindigkeiten in den Heizzug von größer als 2m/s realisiert werden. Auch kann eine stabile Flammenkontur sichergestellt werden, was eine verzögerte Ausbrandcharakteristik begünstigt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Querschnittsfläche des jeweiligen unteren und/oder oberen Abgasrezirkulations-Durchlasses größer als 0.005m2, insbesondere größer als 0.01 m2. Dies ermöglicht einen vergleichsweise schwachen Strömungsimpuls des rezirkulierten Abgases, mit dem Effekt, dass der Strömungsimpuls des neu eingelassenen Gases stärker wirkt. Mit einem vergleichsweise kleinen neu eingelassenen Volumenstrom lässt sich dadurch ein großer Effekt erzielen, und es kann eine hohe Kreisstromrate gewählt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Querschnittsfläche des jeweiligen unteren Abgasrezirkulations-Durchlasses eine rechteckige, insbesondere in Breitenrichtung (x), quer zur Ausdrückrichtung, langgestreckte Geometrie auf. Dies ermöglicht auf einfache Weise eine Integration in die Wände, mit der Option einer Größenanpassung bei minimalem konstruktivem Aufwand. Ebenso kann die Querschnittsfläche des jeweiligen oberen Abgasrezirkulations- Durchlasses eine rechteckige, insbesondere in Breitenrichtung (x), quer zur Ausdrückrichtung, langgestreckte Geometrie oder eine quadratische Geometrie aufweisen. Die jeweiligen Einlässe und/oder die jeweiligen Durchlässe können dabei gleich groß sein, oder spezifisch je Höhenposition angepasst sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der jeweilige Abgasrezirkulations-Durchlass wenigstens eine abgerundete Strömungskante und/oder konvexe Wölbung auf, insbesondere mit einem Radius von mindestens einer viertel Wandlage (entsprechend in Grad oder Millimetern) oder mindestens 30°, insbesondere eine innen in Bezug auf den jeweiligen Kreisstrompfad liegende abgerundete Strömungskante oder konvexe Wölbung. Dies erleichtert den Kreisstrom, insbesondere auch bei nur geringen Druckdifferenzen. Gleichzeitig kann ein vorteilhaftes Strömungsprofil im aufwärts durchströmten Heizkanal sichergestellt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der jeweilige Abgasrezirkulations-Durchlass wenigstens eine scharfe Strömungskante und/oder konkave Wölbung auf, insbesondere mit einem Radius von maximal einer oder zwei Wandlagen (entsprechend in Grad oder Millimetern), insbesondere eine außen in Bezug auf den jeweiligen Kreisstrompfad liegende scharfe Strömungskante oder konkave Wölbung. Dies kann sicherstellen, dass die Strömung auf einem optimalen Strömungspfad strömt. Es können mittels der Durchlässe oder in den Durchlässen Gasleitkonturen bereitgestellt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der jeweilige Abgasrezirkulations-Durchlass wenigstens eine Umstromungskontur mit wenigstens einem Radius und wenigstens einer scharfen Strömungskante (bzw. Abrisskante) auf. Diese kombinierte Kontur liefert einen besonders guten strömungstechnischen Effekt und hat den Vorteil, dass sich ein zusätzlicher innerer Kreisstrom bereits bei sehr geringen Differenzdrücken ausbilden kann. Der jeweilige Radius kann insbesondere über einen Winkel von 30 bis 60° ausgebildet sein. Eine derartige Strömungsoptimierung kann die Anordnung der Durchlässe flexibler gestalten, insbesondere da auch in vergleichsweise hohen Heizkanälen nur sehr geringe Druckdifferenzen im Bereich von wenigen Pascal (Pa) vorliegen können. Mittels der Kanten kann ein Strömungshindernis im Durchlass geschaffen werden, mit dem Effekt, dass die Strömung nur zurück in den jeweils aufwärts durchströmten Heizkanal weitergeleitet wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die unteren Abgasrezirkulations-Durchlässe versetzt übereinander beidseitig eines in der Trennwand verlaufenden Stufenluftkanals angeordnet, insbesondere in Verbindung mit einem stabilisierenden Steg in der Trennwand. Hierdurch kann auch in einem größeren Breitenbereich (x) Einfluss auf das Strömungsprofil genommen werden. In Bezug auf die Horizontale kann ein Versatz zwischen 10 und 200mm vorteilhaft sein, insbesondere zwecks verbesserter Kühlwirkung. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist unterhalb des/der Abgasrezirkulations-Durchlässe, insbesondere in einem Mittelbau oberhalb eines Regenerators der Koksofenvorrichtung, wenigstens ein Übertritts-Durchlass eingerichtet zum Einleiten von rezirkuliertem Abgas an der Unterseite des jeweiligen Heizkanals an einer Position zwischen Mischgas-Einlass und Verbrennungsluft-Einlass angeordnet. Diese Übertritts-Durchlässe haben einen größeren Strömungsweg und sind kanalartig (rund oder rechteckig) aufgebaut, und können in Kombination mit den zuvor beschriebenen Bypass-Öffnungen (Beheizungsdifferential) vorgesehen sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst wenigstens einer der Einlässe im unteren Bereich, insbesondere der Koksofengas-Einlass eine Einlass-Düse und mündet in einer Höhenposition von 0.0 bis 0.45m, insbesondere 0.05 bis 0.25m oberhalb vom Boden des Heizkanals in den Heizkanal. Es hat sich gezeigt, dass eine solche Beabstandung vom Boden einen positiven Effekt auf das Strömungsprofil im Bodenbereich hat. Diese Ausgestaltung der Düse kann als Gasstufung bezeichnet werden, und ist vorteilhaft mit den weiteren hier geschilderten Maßnahmen kombinierbar. Ein am Boden des Heizkanals angeordnetes Düsenrohr endet bevorzugt ca. 0.25m hoch oberhalb der Kanalsohle (Brennerebene) und besteht bevorzugt aus Feuerfestmaterial. Aus diesem strömt Rohr das Koksofengas also in einer Höhenposition von ca. 0.25m ein und durchmischt sich mit der am Boden einströmenden Luft. Eine Einlassdüse zur Volumenstromkalibrierung kann bei kopfbeheizten Öfen (=Seitenbrenneröfen) innerhalb dieses Düsenrohrs angeordnet werden, bevorzugt an dessen Boden auf Höhe der Kanalsohle/Brennerebene. Eine Höhenposition des Düsenrohres kleiner 500mm oder bevorzugt kleiner 350 oder 300mm kann die darin angeordnete Düse auch vor den Strömungsquerschnitt verringernden Kohlenstoff- oder Rußanbackungen und vor hohen Temperaturen schützen, und es kann einem Leistungsverlust vorgebeugt werden. Bei Unterbrenneröfen ist die Düse unter der Brennerebene im Batteriekeller angeordnet, welcher unter atmosphärischen Bedingungen betrieben wird (keine Gefährdung durch hohe Temperaturen). Das Düsenrohr ragt bei beiden Arten von Öfen 0.05 bis 0.5m, bevorzugt 0.25m in den Heizkanal hinein, so dass das Gas bei Unterbrenneröfen auf der gleichen Höhenposition eingelassen wird wie bei Seitenbrennern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Einlass-Düse orthogonal zum Boden des Heizkanals ausgerichtet, insbesondere senkrecht. Bevorzugt sind auch die weiteren Einlässe zumindest annähernd orthogonal bzw. senkrecht ausgerichtet.
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 NOx-Emission durch internen thermischen Energieausgleich mittels koksofeneigener Gase durch primäre Maßnahmen intern an der Koksofenvorrichtung, insbesondere zum Betreiben einer zuvor beschriebenen Koksofenvorrichtung, wobei in einem jeweiligen Zwillingsheizzug mit einem beflammten Heizkanal und einem rauchgas- bzw. abgasführenden Heizkanal, insbesondere sowohl am oberen als auch am unteren Ende des Heizkanals, um eine Trennwand herum mittels wenigstens eines koppelnden Durchlasses, insbesondere mittels oberer und unterer koppelnder Durchlässe, durch die Trennwand eine interne Abgasrezirkulation auf einem äußeren Kreisstrompfad um die Trennwand herum eingestellt wird, wobei im unteren Bereich am Boden des jeweiligen Zwillingsheizzuges Koksofengas und/oder Verbrennungsluft und/oder Mischgas eingelassen wird, also wenigstens ein Gas aus der folgenden Gruppe: Koksofengas, Verbrennungsluft, Mischgas; wobei die Abgasrezirkulation auf einem/dem Kreisstrompfad oder wenigstens einem zentrischen Strömungspfad jeweils zentrischer (also näher zur Mittenlängsachse in der xy-Ebene) als die eingelassenen Gase geführt wird, insbesondere beidseitig umgrenzt bzw. umströmt von den eingelassenen Gasen, insbesondere im Kreis. Dies liefert zuvor genannte Vorteile. Dabei kann mittels wenigstens eines der eingelassenen Gase strömungstechnisch und wärmeenergietechnisch eine Entkopplung von der Abgasrezirkulation realisiert werden.
Indem insbesondere im Bodenbereich des aufwärts durchströmten Heizkanals wenigstens ein rückgeführter Teilabgasvolumenstrom zwischen dem Beheizungsgasvolumenstrom und mindestens einem der am Boden in den Kanal einströmenden Luftteilvolumenströme eingeleitet wird, kann der rückgeführte Teilgasvolumenstrom als inerte Zwischenschicht derart weitergeleitet und genutzt werden, dass die inerte Zwischenschicht die Reaktanzen Gas und Luft im unteren Bereich des Heizkanals zunächst separiert (verbrennungstechnische Entkopplung) und im weiteren Strömungsverlauf in vertikaler Richtung weiter oben eine verzögerte Ausbrandcharakteristik hervorruft. Dies kann eine NOx-reduzierende Wirkung hervorrufen. Gemäß einer Ausführungsform wird dabei in einer Vielzahl von Zwillingsheizzügen jeweils mit paarweisen Heizkanälen jeweils in einer Trennwand zwischen den Heizkanälen wenigstens eine wärmeisolierende Zwischenschicht aus einem Teilvolumenstrom von Abgas/Rauchgas aus dem absteigenden Heizkanal gebildet.
Gemäß einer Ausführungsform wird wenigstens ein zusätzlicher innerer Kreisstrom zentrischer als die eingelassenen Gase und weiter innen als der äußere Kreisstrompfad und umgrenzt vom äußeren Kreisstrompfad eingestellt, insbesondere über wenigstens ein Paar von zusätzlichen Durchlässen oben und unten. Es hat sich gezeigt, dass ein weiterer, weiter innen vorgesehener innerer Kreisstrom bereits dann ausgebildet werden kann, wenn ein Druckunterschied im Bereich von einigen Pascal vorliegt. Der Druckunterschied kann deutlich unter 1 mbar liegen, insbesondere im Bereich von weniger als 10 oder 5 Pascal (Pa), beispielsweise 2 bis 4Pa, und dennoch kann der zusätzliche Kreisstrom ausgebildet werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Anteil des auf dem oder den Kreisstrompfaden intern rezirkulierten Abgases bei Starkgasbeheizung oder bei Mischgasbeheizung bei über 50%, insbesondere über 70%, insbesondere bei 80% eingestellt. Im Gegensatz dazu lag der Anteil rezirkulierten Abgases bisher bei maximal 25 bis 45% bei Starkgasbeheizung oder bei maximal 10 bis 20% Mischgasbeheizung. Die hohe Rezirkulationsrate kann durch optimierte Gasführung erzielt werden und ermöglicht einen energieeffizienten Prozess bei minimierten Emissionen.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Verfahren für Starkgasbeheizung durchgeführt, indem im Wesentlichen Koksofengas verwendet wird; oder wobei das Verfahren für Mischgasbeheizung durchgeführt wird, indem im Wesentlichen ein Gemisch aus Hochofengas, Koksofengas und optional auch Konvertergas verwendet wird; oder wobei das Verfahren mit Erdgas als zumindest teilweiser Ersatz von Koksofengas durchgeführt wird. Es hat sich gezeigt, dass das erfindungsgemäße Strömungskonzept bei einer beliebigen dieser Betriebsarten realisierbar ist.
Mischgas setzt sich üblicherweise aus zwei oder drei Gasen oder Gasgemischen zusammen: Hochofengas (zu großem Anteil), Koksofengas (zu geringem Anteil), und optional auch Konvertergas. Üblicherweise wird ein Koksofen (insbesondere ein Verbundofen) nur ca. 5% der Betriebsdauer im Jahr mit Starkgas beheizt, bei einer deutlich höheren Flammentemperatur über 2.000°C (hoher Heizwert des Starkgases bzw. Koksofengases). Bei Mischgasbeheizung (Hochofengas) hingegen liegt die Flammentemperatur beispielsweise nur im Bereich von ca. 1.700°C. Jedoch gibt es auch Öfen, die nicht im Verbund betrieben werden, und zu 100% mit Koksofengas bzw. Starkgas betrieben werden müssen. Erfindungsgemäß hat sich gezeigt, dass sowohl für Stark- als auch für Mischgasbeheizung, trotz der sehr unterschiedlichen Flammentemperatur, eine vergleichbar niedrige NOx-Emission realisiert werden kann. Dies liefert dem Ofenbetreiber maximale Flexibilität beim Betrieb seiner Öfen, mehr oder weniger unabhängig von möglicherweise zeitlich oder bezüglich Kalendertagen vordefinierten Emissions- Vorschriften. Insbesondere kann der Ofenbetreiber bedenkenlos einen Betriebsmodus bei Starkgasbeheizung wählen.
Als Starkgas wird insbesondere in nachgeschalteten Anlagenkomponenten gereinigtes Koksofengas mit unteren Heizwerten zwischen 17000 bis 19000KJ/Nm3 verwendet. Starkgas besteht üblicherweise aus CO, H2, CH4, 02, N2, C02 und höheren Kohlenwasserstroffen. Erfindungsgemäß kann die Kreisstromrate des rückgeführten Abgases bei Starkgasbeheizung von bisher ca. 30 bis 45% auf über 50% gesteigert werden, und bei Mischgasbeheizung von bisher ca. 15 bis 25% ebenfalls auf über 50%. Dies ermöglicht ein sehr effektives Kühlen der Flammentemperatur im aufwärts durchströmten Heizkanal mit vergleichsweise kaltem Abgas. Insbesondere kann ein Kühleffekt im Bereich von mindestens 5 bis 60°C realisiert werden, wodurch eine Minimierung von thermisch gebildeten Stickoxiden erzielt werden kann. Abgesehen davon kann insbesondere dank eines sehr homogenen Wärmestroms auch eine gleichmäßige Koksqualität erzielt werden, und dank geringerer Temperaturgefälle kann eine thermische Belastung der Kammerwandungen minimiert werden. Der Ofen kann bei geringeren Beheizungstemperaturen betrieben werden, bei zumindest annähernd gleicher Verkokungsgeschwindigkeit wie bei bisher auf höheren Temperaturen mit stärkeren NOx- Emissionen betriebenen Öfen.
Dabei kann über den Einlass für Koksofengas auch Erdgas eingespeist werden, insbesondere bereitgestellt als LNG (Flüssigerdgas). Erdgas besteht je nach Förderort/Herkunft zu 90 bis 100% aus Methan (CH4) sowie marginal weiteren, höheren Kohlenwasserstoffen. Durch die geringe Flammentemperatur von Methan ist Methan ein bevorzugter Ersatz für Koksofengas (weniger thermisches NOx wird gebildet). Methan/Erdgas ist jedoch teurer. Zudem würde das eigene selbst im Werk produziert, gereinigte Koksofengas keinen Abnehmer finden. Je nach Betriebsweise kann Koksofengas zumindest teilweise durch Erdgas ersetzt werden. Die Effekte der vorliegenden Erfindung können auch bei Verwendung von Erdgas erzielt werden. Gemäß einer Ausführungsform wird ein unterstöchiometrisches Verbrennungsverhältnis von <0.9 eingestellt, insbesondere ein Verbrennungsverhältnis im Bereich von 0.5 bis 0.8, insbesondere 0.7, insbesondere im Bodenbereich in der Brennerebene am Boden des jeweiligen Heizkanals. Je kleiner der Luftüberschuss (Lambda) unterhalb der ersten Verbrennungsstufe eingestellt wird, umso schwächer kann die Verbrennung bzw. Wärmeübertragung im unteren Bereich des Heizzuges eingestellt werden. Es hat sich gezeigt, dass bei Luftzahlen im Bodenbereich der Heizkanäle kleiner 0.9, insbesondre im Bereich 0.5 bis 0.8 die geforderten Grenzwerte für NOx-Emissionen mit gutem Sicherheitsfaktor eingehalten werden können. Im Kopfbereich kann unabhängig davon die Luftzahl im Bereich von 1.2 bis 1.3 eingestellt werden.
Das Verbrennungsverhältnis kann über die Zufuhr der Gesamtluftmenge einer aus z.B. 10 bis 25 Zwillingsheizzügen bestehenden Heizwand in die Luftventile vor der gesamten Batterie geregelt werden. Dazu werden z.B. Bleche als Widerstand in den Eintrittsquerschnitt des jeweiligen Ventils gelegt, um z.B. eine Verringerung der eingesaugten Luftmenge und damit der so genannten Luftzahl der gesamten Heizwand zu erwirken. Zusätzlich können in den Luftventilen Regulierklappen zur weiteren Beeinflussung der Gesamtmenge oder der Richtung von Teilmengen vorgesehen sein, welche Teilmengen jeweils in einzelne Regeneratorsegmente einströmen. Beispielsweise wärmt ein erster Regenerator das jeweilige Gas und Luft der am Boden einströmenden Teilmengen vor, und ein zweiter Regenerator wärmt Teilmengen für Stufenluft vor.
Gemäß einer Ausführungsform wird mittels des rezirkulierten Abgases eine bevorzugt laminare Zwischenschicht zwischen eingelassenem Gas und einem Stufenluftkanal oder Gas aus dem Stufenluftkanal ausgebildet, insbesondere in einem Höhenbereich von 5 bis 75%, bevorzugt 15 bis 50% der Höhe des Heizkanals, insbesondere über einen Höhenabschnitt von 0.25 bis 4m. Dies kann das Separieren der Gasströme erleichtern. Gemäß einer Ausführungsform wird mittels des eingelassenen Gases ein isolierender und mischungsverzögernder Gasteppich zwischen der jeweiligen Läuferwand und dem/den Kreisstrompfaden ausgebildet. Die laminare Strömung oder Zwischenschicht kann insbesondere durch Reynoldszahlen kleiner 2320 gekennzeichnet sein. Gemäß einer Ausführungsform wird der Anteil der eingeleiteten Gasmengen zwischen einer ersten Stufe, insbesondere am Boden durch den Verbrennungsluft- und Mischgas-Einlass, (Bodenstufe) und einer zweiten Stufe (eine oder mehrere Binderwandstufen) auf 50:50 oder mit noch geringerem Anteil der ersten Stufe eingestellt. Durch einen höheren Anteil rezirkulierten Gases kann optional ein Absenken des Anteils der am Boden in der ersten Stufe eingeleiteten Gases erfolgen. Dies ermöglicht weitere Variationen bei der Einflussnahme auf das Strömungsprofil insbesondere auch im Bodenbereich.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Verhältnis der in die Heizkanäle eingeleiteten Volumenströme wie folgt eingestellt: <30% durch den Verbrennungsluft-Einlass, <30% durch den Mischgas-Einlass, und >40% durch die Rezirkulations-Durchlässe und wahlweise wenigstens einen Stufenluft-Einlass. Gemäß einer Ausführungsform wird der in die Ofenkammer am Verbrennungsluft-Einlass und am Mischgas-Einlass eingeleitete Volumenstrom auf zwischen 45 und 55% des durch die Rezirkulations-Durchlässe und wahlweise den wenigstens einen Stufenluft-Einlass eingeleiteten Volumenstroms eingestellt bzw. geregelt. Dies ermöglicht jeweils auch eine effektivere Einflussnahme auf unterschiedlichen Höhenpositionen. Das Verfahren wird dabei insbesondere mit Starkgasbeheizung durchgeführt. Bevorzugt wird das Verfahren mit Starkgasbeheizung mit abgemagertem Starkgas mit abgesenktem unterem Heizwert im Starkgasbeheizungsmodus durchgeführt, indem als Starkgas ein Gas mit einem unteren Heizwert im Bereich von 14000 bis max. 17000 kJ/Nm3 bereitgestellt wird. Dadurch kann die Flammentemperatur in Verbindung mit den zuvor beschriebenen Maßnahmen beträchtlich gesenkt werden, insbesondere um einen Differenz von 50 bis 300K. Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch eine Logikeinheit bzw. Steuerungseinrichtung eingerichtet zum Ausführen eines zuvor beschriebenen Verfahrens, wobei die in die Heizkanäle eingeleiteten Volumenströme gemäß den zuvor erläuterten Verhältnissen eingestellt werden, und/oder wobei die Strömungsrichtung in den Heizzügen zyklisch umgestellt wird, insbesondere alle 15 bis 25min. Hierdurch kann ein sehr homogenes Temperaturprofil auch bei häufigem Umschalten erzielt werden. Die Umschalt-Zeit liegt dabei z.B. im Bereich von 1 bis 2min.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch Verwendung wenigstens einer Trennwand mit wenigstens einem weiter innen in Breitenrichtung (x) zentrischer als wenigstens ein Gaseinlass, insbesondere zentrischer als alle Gaseinlässe positionierten Abgasrezirkulations-Durchlass in einem Zwillingsheizzug einer Koksofenvorrichtung, insbesondere in einer zuvor beschriebenen Koksofenvorrichtung. Hierdurch ergeben sich zuvor genannte Vorteile. Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch Verwendung wenigstens einer Trennwand mit wenigstens einem weiter innen in Breitenrichtung (x) zentrischer als Gaseinlässe positionierten Abgasrezirkulations-Durchlass ausschließlich in der zur Koksseite einer Koksofenvorrichtung weisenden Hälfte der Zwillingsheizzüge der Koksofenvorrichtung, insbesondere in einer zuvor beschriebenen Koksofenvorrichtung. Hierdurch ergeben sich zuvor genannte Vorteile.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch Verwendung wenigstens einer Trennwand mit wenigstens zwei insbesondere parallel angeordnete Stufenluftkanälen, welche sich oberhalb eines/des oberen/obersten Abgasrezirkulations-Durchlasses vereinigen und in einem obersten Stufenluft-Einlass oberhalb aller Abgasrezirkulations-Durchlässe in einen beflammten Heizkanal münden; und/oder durch Verwendung wenigstens einer Trennwand mit wenigstens zwei insbesondere parallel angeordneten Stufenluftkanälen, welche oberhalb eines/des oberen/obersten Abgasrezirkulations-Durchlasses in zwei obersten Stufenluft- Einlässen oberhalb aller Abgasrezirkulations-Durchlässe in den beflammten Heizkanal münden, insbesondere jeweils in einer zuvor beschriebenen Koksofenvorrichtung. Dies liefert hohe Variabilität hinsichtlich einzelner Optimierungs-Maßnahmen.
Es hat sich gezeigt, dass durch diesen Aufbau der konstruktive Aufwand minimiert werden kann. Die koksseitige Hälfte wird in vielen Betriebszuständen heißer als die kohleseitige Hälfte, so dass es ausreichen kann, die hier beschriebenen Maßnahmen in der koksseitigen Hälfte zu realisieren, also bei z.B. 6 bis 25, insbesondere in maximal 20 in Ausdrückrichtung weiter hinten angeordneten Zwillingspaaren, also je Ofenkammer in ca. 6 bis 25, insbesondere in maximal 20 Trennwänden. Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch Verwendung einer zuvor beschriebenen Koksofenvorrichtung zum Verkoken von Kohle oder einer Kohlemischung umfassend wenigstens einen Zusatz aus der folgenden Gruppe: Petrolkoks, Öl, Bitumensorten z.B. in Form von Altreifen, Kohle- und Koksstaub, Binde- oder Verkokungshilfsmittel wie z.B. Melasse, Ölrückstände, zelluloseartige Zuschläge, Sulfit- oder Sulfatverbindungen oder - laugen, wobei die Mischung auch Biomasse aufweisen kann. Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch Verwendung von abgemagertem Starkgas mit abgesenktem unterem Heizwert beim Betreiben einer zuvor beschriebenen Koksofenvorrichtung. Das abgemagerte Starkgas wird dabei insbesondere durch Mischen von Hochofengas und Starkgas bereitgestellt.
Insbesondere können als bevorzugte Zusammensetzungen in Vol.-% (Feuchtzustand) sowie als untere Heizwerte (in KJ/m3, Trockenzustand, wasserfrei) sowohl für Hochofengas (Gichtgas) als auch für Starkgas (in der Nebengewinnung gereinigtes Koksofengas) die folgenden Werte genannt werden:
Hochofengas: 1.92% H2, 59.5% N2, 24.24% CO, 1 1.96% C02, 2.37% H20, mit einem unteren Heizwert von ca. 3349
Starkgas: 54.98% H2, 0.66% 02, 5.33% N2, 5.75% CO, 1.52% C02, 26.66% CH4, 2.74% C2H6, 2.37% H20, mit einem unteren Heizwert von ca. 18422
In der Summe ergeben die Prozentangaben jeweils gemäß der Auswahl des Fachmanns dabei für die jeweilige Gasmischung 100%. Die Bestandteile der jeweiligen Gasmischung addieren sich auf 100 Prozent. Dabei können im Spurenbereich weitere Bestandteile, insbesondere höhere Kohlenwasserstoffe sowie NH3 und H2S im jeweiligen Gasgemisch enthalten sein, insbesondere jeweils unter 1.5%. Als Schwankungsbereiche für die einzelnen Bestandteile kann eine Toleranz von +-15% genannt werden.
Insbesondere kann aus dem Hochofengas und dem gereinigten Starkgas ein Mischgas bzw. ein abgemagertes Starkgas gemischt werden, insbesondere gemäß den folgenden auf die erste Nachkommastelle gerundeten Bestandteilen, jeweils mit einem Schwankungsbereich für die einzelnen Bestandteile von +-15% Toleranz:
Mischgas: 5.6% H2, 0.1 % 02, 55.7% N2, 23.0% CO, 1 1.2% C02, 1.9% CH4, 0.2% C2H6, 2.4% H20, mit einem unteren Heizwert von ca. 4396
Abgemagertes Starkgas: 45.1 % H2, 0.6% 02, 14.4% N2, 8.9% CO, 3.3% C02, 22.2 CH4, 2.3% C2H6, 2.4% H20, mit einem unteren Heizwert von ca. 15910
Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung von abgemagertem Starkgas bereits eine NOX- Minderung um 30 bis 50ppm (bezogen auf 7% 02 im Abgas) ermöglichen kann, insbesondere indem die lokale Flammentemperatur auf einen Bereich unter 2000°C abgesenkt wird. In Kombination mit den zuvor beschriebenen Maßnahmen wird der vorteilhafte Effekt der NOx- Minderung weiter verstärkt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung wenigstens eines Ausführungsbeispiels anhand der folgenden Figuren, sowie aus den Figuren selbst. Dabei zeigt
Fig. 1A, 1 B, 1 C, 1 D, 1 E, 1 F, 1 G, 1 H jeweils in schematischer Darstellung in geschnittenen
Seitenansichten und Draufsichten Zwillingsheizzüge bzw. Koksöfen gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2, 3, 4, 5, 6, 7 jeweils in schematischer Darstellung in geschnittenen Seitenansichten in Breiten- und Tiefenrichtung Zwillingsheizzüge gemäß Ausführungsbeispielen; Fig. 8A, 8B, 8C, 8D, 8E jeweils in schematischer Darstellung in geschnittenen
Seitenansichten und in Draufsichten Zwillingsheizzüge bzw.
Koksofenvorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen;
Fig. 9 in schematischer Darstellung in geschnittener Seitenansicht einen Querschnitt bzw. eine Querschnittskontur eines Durchlasses in Zwillingsheizzügen gemäß
Ausführungsbeispielen;
Fig. 10 ein Verfahrensschaubild bezüglich des Betreibens einer Koksofenvorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen; und
Fig. 1 1 , 12 jeweils in schematischer Darstellung in geschnittenen Seitenansichten
Zwillingsheizzüge gemäß Ausführungsbeispielen.
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 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 oder die winkelige Ausrichtung in der Beschreibung näher definiert werden.
Die Figuren 1A, 1 B, 1 C, 1 D, 1 E, 1 F, 1 G, 1 H zeigen einen Koksofen 1 in der Art eines Horizontalkammerofens, mit mehreren Ofenkammern 2 jeweils mit Kohle-Charge. Die Ofenkammern 2 weisen eine Höhe z2 von z.B. 6 bis 8m auf. Die Ofenkammern 2 sind durch Läuferwände 3 abgeschottet, die sich jeweils in einer yz-Ebene erstrecken. Zwischen zwei Läuferwänden 3 bilden paarweise Heizkanäle 5.1 , 5.2 jeweils einen Zwillingsheizzug 5, dessen Innenwandung 5.3 den (frei von Kohle) von Gasen durchströmten Heizraum von der jeweiligen Ofenkammer abgrenzt. Die Heizkanäle 5.1 , 5.2 werden abwechselnd als beflammter oder abgasführender Heizkanal betrieben, was ein Umschalten der Strömungsrichtung erfordert und in einem Zyklus von z.B. 20min. erfolgt.
Die paarweisen Heizkanäle sind jeweils durch eine koppelnde Trennwand (Binderwand) 4 voneinander getrennt, in welcher oben und unten ein koppelnder Durchlass 4.4 vorgesehen ist, über welchen ein Kreisstrom 9 von rezirkuliertem Abgas realisierbar ist.
Benachbarte Zwillingsheizzüge sind durch eine abschottende Trennwand 4a ganz ohne Durchlässe vollständig voneinander abgeschottet.
In den Trennwänden 4, 4a ist jeweils ein Stufenluftkanal 4.1 angeordnet, welcher über wenigstens eine Verbrennungsstufe 4.2 bzw. den entsprechenden Einlass oder Auslass an den Heizkanal gekoppelt ist. Die jeweilige Verbrennungsstufe 4.2 ist in einer charakterisierenden Höhenposition z4 angeordnet. Beispielsweise werden zwei oder drei Höhenpositionen z4 definiert, in welchen Stufenluft eingelassen wird.
Die jeweiligen Wände sind aus Steinen gemauert, die jeweils eine Wandlage 3.1 definieren.
Die x-Richtung kennzeichnet die Breite des Ofens 1 , die y-Richtung kennzeichnet die Tiefe (bzw. die horizontale Ausdrückrichtung bei einem Horizontalkammerofen), und die z-Richtung kennzeichnet die Vertikale (Hochachse). Die Mittenlängsachse M des jeweiligen Heizkanals verläuft durch das in x- und in y-Richtung zentrisch in Bezug auf die Innenoberflächen/Innenwandungen angeordnete Zentrum des jeweiligen Heizkanals. Das Zentrum des jeweiligen Zwillingsheizzuges ist nicht gekennzeichnet. Es liegt etwa im Zentrum der jeweiligen kreisumströmten Trennwand, insbesondere im Zentrum eines zentrisch angeordneten Stufenluftkanals. Der Begriff„zentrisch" oder„Zentrum" bezieht sich hier auf eine Mitte in der xy-Ebene, und der Begriff „mittig" oder„Mitte" bezieht sich hier auf die Höhen- Richtung (z). In der so genannten Brennerebene 5.4 bzw. am Boden eines jeweiligen Heizkanals sind mehrere Einlässe angeordnet, nämlich ein (erster) Verbrennungsluft-Einlass 6, insbesondere für Koksofengasbeheizung, und ein weiterer Verbrennungsluft-Einlass 7, insbesondere für Mischgasbeheizung, und ein Koksofengas-Einlass 8. Über die Einlässe eingeleitetes Gas strömt an den Wandoberflächen 4.3 der Trennwände sowie an den Innenwandungen der Läuferwände nach oben.
Als Temperaturen am Koksofen 1 lassen sich nennen: Düsensteintemperatur T1 , (Gas- )Temperatur T2 im jeweiligen Heizkanal, und Temperatur T3 in der Ofenkammer. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine möglichst homogene Verteilung der Temperatur T2.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 F bis 8E werden im Folgenden die einzelnen Gasströme beschrieben. Der Gasstrom G1 kennzeichnet neu eingelassenes bzw. zugeführtes Beheizungsgas bzw. Verbrennungsluft. Der Gasstrom G1 kann einen Gasstrom G1a (Koksofengas) und/oder einen Gasstrom Gi b (Mischgas) umfassen. Der Gasstrom G4 kennzeichnet Rezirkulationsabgase, welche zurückgeführt bzw. im Kreis geführt werden. Der Gasstrom G5 kennzeichnet Gas bzw. Luft aus einer jeweiligen Verbrennungsstufe 4.2, 14.1 1 , und der Gasstrom G6 kennzeichnet Abgase, die aus dem jeweiligen Heizkanal oder Heizzug ausgeleitet werden.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 D, 1 E werden im Folgenden die bisher üblichen Abstände und Relativpositionen der einzelnen Einlässe und Durchlässe beschrieben. Der Abstand d4 vorbekannter Durchlässe 4.4 in x-Richtung zueinander ist vergleichsweise groß. Der Abstand d5 des Koksofengas-Einlasses 8 zu den weiteren Einlässen 6, 7 in x- Richtung, insbesondere ein Abstand zwischen dem Koksofengas-Einlass 8; G1a und den weiteren eingelassenen Gasströmen G1 ist vergleichsweise klein. Der Abstand d5 ist kleiner als der Abstand d4. Der Abstand x4 des jeweiligen Durchlasses 4.4 zur Innenwandung der Läuferwand 3 ist vergleichsweise klein (insbesondere wurde bisher ein Abstand von 120 bis 140mm zwischen der Läuferwand und der Außenkante des Durchlasses eingehalten). Der Abstand x6, x8 des Einlasses 6, 8 zur Läuferwand 3 ist vergleichsweise groß. Der Abstand x8 ist kleiner als der Abstand x6. Der Abstand x4 ist deutlich kleiner als der Abstand x6, x8. Die in Fig. 1 D gezeigten Rezirkulations-Pfeile sind nur schematisch dargestellt und geben nicht exakt die Richtung des jeweiligen Gasstroms wieder.
Fig. 1 G zeigt schematisch ein Beheizungsdifferential 5.6 mit einzelnen Öffnungen 5.61 , über welche das Gas in einem Kopfbereich des Heizkanals umgeleitet werden kann. Das Beheizungsdifferential 5.6 ist durch eine (Zwischen-)Decke 5.7 vom jeweiligen Zwillingsheizzug abgeschottet. Das Beheizungsdifferential 5.6 ist unabhängig vom Kreisstrom 9.
Auf eine Illustration des unter der Brennerebene 5.4 angeordneten Mittelbaus des Ofens wird bewusst verzichtet, zwecks besserer Übersichtlichkeit. Im Mittelbau kann die Zuleitung der Gase und das Regeln der Volumenströme erfolgen.
Die Fig. 2, 3, 4, 5, 6, 7 zeigen die einzelnen erfindungsgemäßen Maßnahmen zum Optimieren des Temperaturprofils im jeweiligen Heizkanal. In den Figuren 8A, 8B, 8C, 8D, 8E werden einzelne Maßnahmen weiter im Detail illustriert.
Eine Koksofenvorrichtung 10 mit Ofenkammern 10.2, insbesondere mit Horizontalkammerofenkammern weist eine Vielzahl von Zwillingsheizzügen 13 jeweils mit einem beflammten Heizkanal 1 1 und einem abgasführenden Heizkanal 12 aus. Die Heizkanäle definieren mit deren Innenwandung 1 1.1 einen Heizzug zum Durchleiten von Gasen. Die einzelnen Heizkanäle sind durch Trennwände (Binderwand) 14 mit koppelnden Durchlässen 14.2 und abschottende Trennwände 14a ohne Durchlässe voneinander abgegrenzt. In den Trennwänden 14, 14a ist jeweils wenigstens ein Stufenluftkanal 14.1 mit einer oder mehreren Verbrennungsstufen 14.1 1 bzw. Einlässen oder Auslässen vom/zum Heizkanal vorgesehen. Läuferwände 15 begrenzen die Ofenkammern und Heizkanäle in y-Richtung.
Gas kann über mehrere Einlässe 16, 17, 18 in den jeweiligen Heizkanal einströmen, insbesondere über einen ersten Verbrennungsluft-Einlass 16, insbesondere für Koksofengasbeheizung, über einen weiteren Verbrennungsluft-Einlass 17, insbesondere für Mischgasbeheizung, und über einen Koksofengas-Einlass 18 bzw. eine Koksofengas-Düse. Das eingelassene und rezirkulierte Gas strömt sowohl zentrisch als auch an Innenoberflächen 14.3, 15.1 der jeweiligen Trennwand bzw. Läuferwand durch den jeweiligen Heizkanal nach unten oder oben. In Fig. 2 wird vorrangig eine der erfindungsgemäßen Maßnahmen illustriert. Ein Kreisstrom 19 wird gebildet durch mehrere Kreisströme, die auf mehreren Pfaden umeinander herum strömen. In Fig. 2 ist ein äußerer Kreisstrompfad 19.1 gezeigt, welcher zwei weiter innen angeordnete Kreisstrompfade 19.2, 19.3 umgrenzt und umströmt, wobei die inneren Kreisstrompfade 19.2, 19.3 über die entsprechenden zusätzlichen Abgasrezirkulations-Durchlässe 14.2 definiert sind.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit drei Kreisstrompfaden 19.1 , 19.2, 19.3, welche um einen zumindest annähernd auf halber Höhenposition im Heizkanal angeordneten Stufenluftauslass 14.1 1 herum verlaufen. Aus dem Stufenluftauslass 14.1 1 strömt Stufengas G5. Wahlweise können auch mehrere Stufenluftauslässe vorgesehen sein, insbesondere auch oberhalb des innerste Kreisstrompfades 19.3. Die Optimierung des Strömungs-und Wärmeprofils kann dabei vornehmlich mittels des rezirkulierten Gases G4 erfolgen, sowohl im Bodenbereich als auch in mehreren Höhenpositionen darüber. Fig. 3 zeigt eine Anordnung mit mehr als drei Kreisstrompfaden, wobei die Anzahl unterer Durchlässe größer ist als die Anzahl oberer Durchlässe. Die Optimierung kann dabei insbesondere im Bodenbereich vornehmlich mittels rezirkuliertem Gas G4 erfolgen, ohne das Erfordernis von gestuftem Einlass von Stufengas. Im Kopfbereich des Heizkanals ist ein Beheizungsdifferential 5.6 vorgesehen, welches z.B. mittels Schiebersteinen unabhängig von den jeweiligen Kreisströmen hinzuschaltbar ist.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung mit mehr als drei Kreisstrompfaden, wobei die Anzahl unterer Durchlässe deutlich größer ist als die Anzahl oberer Durchlässe. Insbesondere sind sechs untere Durchlässe (bzw. Paare von Durchlässen) in sechs unterschiedlichen Höhenpositionen vorgesehen. Die unteren Durchlässe sind allesamt unter einem Stufenluftauslass 14.1 1 eines zentrischen Stufenluftkanals angeordnet. Die sechs unteren Durchlässe sind paarweise angrenzend zum Stufenluftkanal vorgesehen, und die oberen Durchlässe sind einzeln vorgesehen und zentrisch angeordnet. Oberhalb vom Stufenluftauslass ist ein einzelner zentrischer unterer Durchlass angeordnet. Bei dieser Anordnung ergibt sich ein besonders breiter zentrischer zweistromiger Strömungspfad von unten nach oben, welcher weitre oben durch Stufengas und das zentrisch eingeleitete Rezirkulationsgas ergänzt wird.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 5, 6, 7 wird die Querschnittsfläche Q14 des jeweiligen koppelnden Durchlasses 14.2 an der Innenoberfläche zum Heizkanal beschrieben. Die Querschnittsfläche Q14 von oberhalb von einem Stufenluftkanal 14.1 angeordneten Durchlässen 14.2 ist breiter bzw. langgestreckter als die Querschnittsfläche Q14 von seitlich neben dem Stufenluftkanal 14.1 angeordneten Durchlässen 14.2.
Fig. 5 zeigt eine Anordnung mit im Vergleich zur Fig. 4 mehreren zentrischen Stufenluftauslässen 14.1 1 und mit Durchlässen mit unterschiedlichem Querschnitt: die unteren Durchlässe sind zumindest teilweise langgestreckt in z-Richtung, und die oberen Durchlässe sind langgestreckt in x-Richtung. Bei dieser Variante wird der Stufenluftkanal beidseitig von mehreren unteren Durchlässen eingefasst, jedoch nicht paarweise. Die Anzahl der unteren Durchlässe auf der einen Seite ist ungleich der Anzahl der Durchlässe auf der anderen Seite. Die in z-Richtung gestreckten Durchlässe ermöglichen eine vorteilhafte relative Anordnung, insbesondere sehr weit zentrisch (vergleichsweise kleiner Abstand d2), und insbesondere auch bei optimiertem Strömungsprofil. Der vergleichsweise große Querschnitt Q14 des auf der rechten Seite dargestellten Durchlasses ermöglicht einen starken Strömungs-Effekt des eingelassenen Gases G1 , insbesondere über einen großen Höhenabschnitt.
In Fig. 5 ist ein Abstand d2 zwischen einer innenliegenden Wand/Kante des entsprechenden Durchlasses 14.2 und einer außenliegenden Wand/Kante eines insbesondere zentrisch im Heizzug angeordneten Stufenluftkanals 14.1 in x-Richtung zueinander dargestellt. Dieser Abstand d2 ist erfindungsgemäß sehr klein, insbesondere 30 bis 100mm, bevorzugt 50 bis 70mm. Insbesondere bei zentrischer Anordnung des Stufenluftkanals 14.1 können die Durchlässe 14.2 erfindungsgemäß so nahe wie möglich in x-Richtung daneben positioniert sein.
Fig. 6 zeigt eine Anordnung mit zwei Stufenluftkanälen, die separat in mehreren Höhenpositionen in den Heizkanal münden. Alle unteren Durchlässe 14.2 unterhalb des obersten Stufenluftauslasses sind zentrisch angeordnet, insbesondere symmetrisch in Bezug auf die Mittenlängsachse. Oberhalb von den Stufenlufteinlässen 14.1 1 sind zwei weitere Paare von unteren Durchlässen (vier Durchlässe) in einer Breitenposition (x) zumindest annähernd entsprechend der Breitenposition der Stufengasauslässe 14.1 1 angeordnet. Die paarweisen Durchlässe können auch auf mehreren Höhenpositionen, auch seitlich direkt nebeneinander, angeordnet sein.
Die unteren Durchlässe können alternativ auch schmaler als der/die oberen Durchlässe und/oder schmaler als die obersten unteren Durchlässe ausgeführt sein. Die die obersten unteren Durchlässe können auch als einzelnen Durchlässe (keine Paare) vorgesehen sein und in einer derartigen Breitenposition angeordnet sein, dass Stufengas am jeweiligen Durchlass vorbei/entlang strömen kann und sich mit dem rezirkulierten Gas vermengen kann.
Fig. 7 zeigt eine Anordnung mit zwei Stufenluftkanälen, die zusammen vereint in einer Höhenposition zwischen einzelnen unteren Durchlässen 14.2 zentrisch in den Heizkanal münden, wobei im jeweiligen Stufenluftkanal optional weitere separate Stufenluftauslässe vorgesehen sein können. Der zentrische Stufenlufteinlass 14.1 1 erstreckt sich insbesondere über eine Breite, welche den darüber liegenden unteren Durchlass vollständig überlappt. Die unteren Durchlässe sind zueinander in x-Richtung versetzt um den Versatz x2 angeordnet. Der Versatz x2 liefert auch den Vorteil einer besonders breiten, homogenen Strömung (ohne stärker strömendem Kern), insbesondere bei in x-Richtung vergleichsweise breiten Durchlässen 14.2. Der Kreisstrom kann dadurch noch homogener ausgestaltet werden. Wahlweise können mehrere obere Durchlässe vorgesehen sein. Ein solcher Versatz kann auch bei der in Fig. 6 gezeigten Anordnung vorgesehen sein.
In Fig. 7 ist ein Versatz x2 in x-Richtung illustriert. Dieser Versatz zwischen benachbarten Durchlässen 14.2 beträgt insbesondere 50 bis 100mm und liefert den Vorteil einer guten Wärmeverteilung. Die Fig. 2, 3, 4, 5, 6, 7 zeigen allesamt eine Rezirkulation mit vollumfänglicher Kreisstromführung im Kreis. Wahlweise kann auf den/die unteren Durchlässe verzichtet werden, insbesondere wenn die hier beschriebenen Maßnahmen unabhängig von einer vollumfänglichen Kreisstromführung realisiert werden sollen oder müssen, sei es in einzelnen Zwillingsheizzügen, sei es in der gesamten Ofenvorrichtung.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 8A, 8B, 8C, 8D, 8E werden im Folgenden die erfindungsgemäßen Abstände und Relativpositionen der einzelnen Einlässe und Durchlässe an einem weiteren Ausführungsbeispiel beschrieben. In Fig. 8A ist schematisch (in einigen Heizkanälen) die Anordnung der Einlässe 16, 17, 18 gegenüberliegend voneinander, und in x-Richtung beabstandet von der Mittenlängsachse möglichst nahe an den Läuferwänden 15 gezeigt. Diese Anordnung kann bei jedem der Heizkanäle gewählt werden, oder auch abgewandelt werden. In Fig. 8B ist gezeigt, dass die Einlässe 16, 17, 18 in x-Richtung weiter außen als die Durchlässe 14.2 angeordnet sind. Die Durchlässe sind in einem Abstand d14 zueinander angeordnet, der kleiner ist als der Abstand d15 der Einlässe. In Fig. 8C ist gezeigt, dass das am weitesten in der Mitte, zentrisch einströmende Stufengas G5 weiter außen beidseitig von rezirkuliertem Gas G4 umströmt wird, welches weiter außen jeweils von eingelassenem Gas G1 , G1a, Gi b umströmt wird. Der in Fig. 8C dargestellte Winkel a, insbesondere den Koksofengas-Einlass 18 betreffend, ist zwecks besseren Verständnisses übermäßig groß eingestellt. Erfindungsgemäß kann der Winkel α besonders klein sein, insbesondere gegen Null konvergieren oder 0° sein. Je nach Ausgestaltung des Mittelbaus kann auch ein Winkel im Bereich von 5 bis 10° ein rationaler Kompromiss aus zusätzlichem konstruktivem, anlagentechnischem Aufwand und erzieltem strömungstechnischen Effekt sein.
Die in Fig. 8C gezeigten Durchlässe 14.2 bzw. der Stufengaseinlass 14.1 1 können in der Anordnung, Anzahl und Geometrie gemäß den in Fig. 2 bis 7 diskutierten Varianten variiert werden. Die in Fig. 8C gezeigten einzelnen Gasströme G1 , G1a, G4, G5 lassen erkennen, auf welche Weise erfindungsgemäß eine Separation der Gasströme bzw. ein paralleles Strömen zumindest über einen gewissen Höhenabschnitt realisierbar ist. Der Abstand d14 der Durchlässe 14.2 in x-Richtung zueinander ist vergleichsweise klein, insbesondere kleiner als 50, 45, 40, 35 oder 30 Prozent der Breite (x) des Heizkanals. Der Abstand d15 des Koksofengas-Einlasses 18 zu den weiteren Einlässen 16, 17 in x-Richtung ist vergleichsweise groß, insbesondere größer als 70, 75, 80 oder 85 Prozent der Breite (x) des Heizkanals. Der Abstand d15 ist deutlich größer als der Abstand d14, insbesondere mindestens 35, 40, 45, 50 oder 55 Prozent größer. Der Abstand x14 des jeweiligen Durchlasses 14.2 zur Innenwandung der Läuferwand 3 ist vergleichsweise groß, insbesondere größer als 35, 40 oder 45 Prozent der Breite (x) des Heizkanals (bei paarweisen Durchlässen). Besonders bevorzugt ist der Abstand x14 mindestens größer als 40 Prozent der Breite (x) des Heizkanals, insbesondere im Bodenbereich. Der Abstand x16, x18 des Einlasses 6, 8 zur Läuferwand 15 ist vergleichsweise klein, insbesondere kleiner als 20, 15 oder 10 Prozent der Breite (x) des Heizkanals. Der Abstand x16, x18 ist jeweils kleiner als der Abstand x14. Insbesondere ist der Abstand x14 mindestens doppelt oder mindestens dreifach so groß wie der Abstand x16, x18.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 8B bis 8E werden im Folgenden die einzelnen Gasströme beschrieben. Der jeweilige Gasstrompfad GP1 kennzeichnet erfindungsgemäße Einströmpfade bzw. Strömungspfade für wenigstens eines der über die Einlässe eingeleiteten Gase G1. Der jeweilige Gasstrompfad GP4 kennzeichnet erfindungsgemäße Strömungspfade von rezirkuliertem Abgas/Rauchgas G4, und der jeweilige Gasstrompfad GP5 kennzeichnet erfindungsgemäße Strömungspfade von gestuft eingeleitetem Gas G5.
Der in Fig. 8C, 8E illustrierte Einströmwinkel a, insbesondere für Koksofengas, ist bevorzugt kleiner als 30°, insbesondere kleiner als 10° jeweils in Bezug auf die z-Achse. Der Einströmwinkel α kann analog auch für die weiteren Einlässe 17, 18 realisiert werden. Die jeweilige y-Position der einzelnen Einlässe kann insbesondere zentrisch sein.
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.
In Fig. 9 ist ein Durchlass-Querschnitt in der yz-Ebene gezeigt. Das rezirkulierte Gas G4 durchströmt den jeweiligen unteren Durchlass 14.2 von oben kommend und strömt auch wieder nach oben ab. Das Gas G4 umströmt dabei zwei abgerundete Strömungskanten 14.21 , und strömt an zwei scharfen Strömungskanten 14.22 vorbei. Die Trennwand 14 begrenzt den Durchlass oben mit einer konvexen Wölbung nach unten. Dies begünstigt einen niedrigen Strömungswiderstand. Die Trennwand 14 begrenzt den Durchlass auch unten. Der kreisförmige Kreisstrom, der hier einen sehr engen Radius aufweist, kann somit ohne starke Verwirbelungen durch den Durchlass strömen und nach oben umgeleitet werden. Nach unten können eine oder mehrere scharfe Kanten 14.22 eine Strömung begrenzen. Diese Art der Strömungsoptimierung ermöglicht auch, mittels der Art und Weise, die neuen Gase einzulassen, einen großen Effekt zu erzielen. Insbesondere erzeugen die rezirkulierten Gase G4 keine oder nur geringe Turbulenzen, so dass das Strömungsprofil effektiv mittels der Einlässe optimiert werden kann. In Fig. 10 ist schematisch illustriert, dass die Koksofenvorrichtung 10 eine Steuerungseinheit 20 aufweisen kann, eingerichtet zum Steuern/Regeln eines der zuvor beschrieben Volumenströme V(t), insbesondere zumindest der Volumenströme G1 , G1a, G1 b, G4, G5, G6. Das Steuern und Einstellen der Volumenströme ermöglicht eine Einflussnahme auf das Strömungs- und Temperaturprofil im jeweiligen Heizkanal 1 1 , 12. Somit kann über die Volumenströme mittelbar auch die NOx-Emission eingestellt werden. Die Fig. 1 1 , 12 zeigen Varianten des in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiels. In Fig. 1 1 sind einige der oberhalb des obersten Stufenluftauslasses angeordneten unteren Durchlässe paarweise ausgebildet, wobei ein einzelner größerer, breiterer unterer Durchlass vorgesehen ist.
In Fig. 12 sind nur zwei Rezirkulationsdurchlässe zwischen der untersten Stufengasöffnung und der Brennerebene vorgesehen, insbesondere in einer vergleichsweise hohen Höhenposition größer 500mm. Dies ermöglicht, auf weiter unten im Bodenbereich angeordnete Durchlässe zu verzichten.
Die in den Fig. 2 bis 12 gezeigten Positionen der Durchlässe sind exemplarisch gezeigt. Jeder Einlass kann unabhängig von den anderen Einlässen angeordnet und ausgerichtet werden. Die gezeigten Ausführungsbeispiele können insbesondere auch durch Variation der Anordnung der unteren Durchlässe variiert werden, oder durch Verzicht auf einzelne oder alle unteren Durchlässe.
Insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele der Figuren 5, 6, 1 1 , 12 kann eine Variation der Anordnung und Größe der Durchlässe, insbesondere der oberhalb des obersten Stufenluftauslasses angeordneten Durchlässe und/oder der in einer Höhenposition zwischen einzelnen Stufenluftauslässen angeordneten Durchlässe, jeweils durch Wechsel auf paarweise Durchlässe erfolgen. Dabei kann auch auf einige oder alle der im Bodenbereich angeordneten Durchlässe verzichtet werden, insbesondere bei einer Verlagerung dieser Durchlässe weiter nach oben in einen Höhenbereich oberhalb von 500mm. Die Anzahl der Stufenluftauslässe bzw. der Höhenpositionen mit Stufung ist nicht auf die dargestellten Varianten limitiert.
Bezugszeichenliste:
1 Koksofen, insbesondere Horizontalkammerofen
2 Ofenkammer mit Kohle-Charge
3 Läuferwand
3.1 Wandlage
4 koppelnde Trennwand bzw. Binderwand
4a abschottende Trennwand ohne Durchlässe
4.1 Kanal bzw. Stufenluftkanal in Trennwand
4.2 Verbrennungsstufe bzw. Einlass oder Auslass am Stufenluftkanal vom/zum Heizkanal
4.3 Wandoberfläche
4.4 zwei Heizkanäle koppelnder Durchlass
(bzw. Abgasumkehrstelle bzw. Umkehrstelle für Beheizungsgas)
5 Zwillingsheizzug (paarweise Anordnung von zwei Vertikalheizzügen)
5.1 beflammter Heizkanal (Vertikalheizzug)
5.2 abgasführender Heizkanal (Vertikalheizzug)
5.3 Innenwandung
5.4 Brennerebene bzw. Boden eines Heizkanals
5.6 Beheizungsdifferential
5.61 einzelne Öffnung im Beheizungsdifferential
5.7 (Zwischen-)Decke eines Heizkanals
6 (erster) Verbrennungsluft-Einlass, insbesondere für Koksofengasbeheizung
7 weiterer Verbrennungsluft-Einlass bzw. Einlass für Mischgasbeheizung
8 Koksofengas-Einlass bzw. Koksofengas-Düse
9 Kreisstrom
10 Koksofenvorrichtung, insbesondere mit Horizontalkammerofen
10.2 Ofenkammer
1 1 beflammter Heizkanal (Vertikalheizzug)
1 1.1 Innenwandung
12 abgasführender Heizkanal (Vertikalheizzug)
13 Zwillingsheizzug (paarweise Anordnung von zwei Vertikalheizzügen)
14 Trennwand bzw. Binderwand
14a abschottende Trennwand ohne Durchlässe
14.1 Kanal bzw. Stufenluftkanal in Trennwand 14.1 1 Verbrennungsstufe bzw. Stufenluft-Einlass oder Auslass am Stufenkanal vom/zum Heizkanal
14.2 zwei Heizkanäle koppelnder Durchlass
14.21 abgerundete Strömungskante
14.22 scharfe Strömungskante
14.3 Innenoberfläche der Trennwand
15 Läuferwand
15.1 Innenoberfläche der Läuferwand
16 (erster) Verbrennungsluft-Einlass, insbesondere für Koksofengasbeheizung
17 weiterer Verbrennungsluft-Einlass bzw. Einlass für Mischgasbeheizung
18 Koksofengas-Einlass bzw. Koksofengas-Düse
19 Kreisstrom
19.1 äußerer Kreisstrompfad
19.2 (erster) innerer Kreisstrompfad
19.3 (weiterer) innerer Kreisstrompfad
20 Logikeinheit bzw. Steuerungseinrichtung d2 Abstand zwischen einer innenliegenden Wand/Kante des entsprechenden Durchlasses 14.2 und einer außenliegenden Wand/Kante eines insbesondere zentrisch im Heizzug angeordneten Stufenluftkanals 14.1 in x-Richtung zueinander
d4 Abstand vorbekannter Durchlässe 4.4 eines Zwillingsheizzuges in x-Richtung zueinander
d5 Abstand des Koksofengas-Einlasses 8 zu weiteren Einlässen in x-Richtung, insbesondere Abstand zwischen dem Koksofengas-Einlass 8; G1a und den weiteren eingelassenen Gasströmen G1
d14 Abstand erfindungsgemäßer Durchlässe 14.2 eines Zwillingsheizzuges in x-Richtung zueinander
d15 erfindungsgemäßer Abstand des Koksofengas-Einlasses 16 zu weiteren Einlässen in x- Richtung, insbesondere zwischen G1 und G1a
G1 Beheizungsgas bzw. Verbrennungsluft
G1a Koksofengas
Gi b Mischgas
G4 Rezirkulationsabgas Stufengas bzw. Stufenluft aus Verbrennungsstufe
Abgas
GP1 Einströmpfad bzw. Strömungspfad für wenigstens eines der über die Einlässe eingeleiteten Gase
GP4 Strömungspfad von rezirkuliertem Abgas/Rauchgas
GP5 Strömungspfad von gestuft eingeleitetem Gas
M Mittenlängsachse des jeweiligen Heizkanals
Q14 Querschnittsfläche des koppelnden Durchlasses an der Innenoberfläche zum Heizkanal
Düsensteintemperatur
(Gas-)Temperatur im Heizzug/Heizkanal
Temperatur in der Ofenkammer
Volumenstrom des jeweiligen Gasstroms, z.B. in m3/h x horizontale Richtung (Breite oder Länge)
x2 Versatz in x-Richtung
x4 Abstand des vorbekannten Durchlasses 4.4 zur Innenwandung der Läuferwand 3 x6 Abstand des vorbekannten Einlasses 6 zur Innenwandung der Läuferwand 3 x8 Abstand des vorbekannten Einlasses 8 zur Innenwandung der Läuferwand 3 x14 Abstand des erfindungsgemäßen Durchlasses 14.2 zur Läuferwand
x16 Abstand des erfindungsgemäßen Einlasses 16 zur Läuferwand
x18 Abstand des erfindungsgemäßen Einlasses 18 zur Läuferwand y Tiefe bzw. horizontale Ausdrückrichtung
z vertikale Richtung (Hochachse)
z2 Ofenkammerhöhe
z4 Höhenposition eines jeweiligen Stufenluftein-/auslasses α Einströmwinkel für Koksofengas in Bezug auf die z-Achse (Vertikale)

Claims

Patentansprüche:
1. Koksofenvorrichtung (10) zum Herstellen von Koks durch Verkokung von Kohle oder Kohlemischungen, wobei die Koksofenvorrichtung eingerichtet ist zur minimierten Stickoxidemission durch internen thermischen Energieausgleich mittels koksofeneigener Gase (G1 , G4, G5) durch Maßnahmen intern an der Koksofenvorrichtung, mit einer Vielzahl von Zwillingsheizzügen (13) jeweils mit einem mit Gas beflammten Heizkanal (1 1 ) und einem abgasführenden abwärts durchströmten Heizkanal (12), welche Heizkanäle jeweils paarweise durch eine Trennwand (14) voneinander abgegrenzt und durch zwei einander gegenüberliegende Läuferwände (15) von einer jeweiligen Ofenkammer (10.2) abgeschottet sind, wobei die paarweisen Heizkanäle strömungstechnisch mittels eines oberen koppelnden Durchlasses (14.2) und wahlweise auch mittels eines unteren koppelnden Durchlasses jeweils für interne Abgasrezirkulation (19) auf einem äußeren Kreisstrompfad (19.1 ) aneinander gekoppelt sind, wobei im unteren Bereich am Boden (5.4) des jeweiligen Zwillingsheizzuges jeweils wenigstens ein Einlass aus der folgenden Gruppe vorgesehen ist: Koksofengas-Einlass (18), Verbrennungsluft-Einlass (16), Mischgas-Einlass (17);
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass wenigstens ein Abgasrezirkulations-Durchlass (14.2) in Bezug auf die Breite (x) des Heizkanals zentrischer angeordnet ist als wenigstens einer der Einlässe (16, 17, 18) umfassend den Mischgas-Einlass (17), und einen zentrischeren Strömungspfad (GP4) umströmt von wenigstens einem der eingelassenen Gase (G1 , G5) definiert.
2. Koksofenvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei alle Abgasrezirkulations- Durchlässe (14.2) in Bezug auf die Breite (x) des Heizkanals zentrischer angeordnet sind als alle Einlässe (16, 17, 18).
3. Koksofenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der jeweilige Verbrennungsluft-Einlass (16) und/oder der jeweilige Mischgas-Einlass (17) und/oder der jeweilige Koksofengas-Einlass (18) eine Querschnittsfläche von maximal 0.06m2 aufweisen; und/oder wobei die Querschnittsfläche des jeweiligen Abgasrezirkulations-Durchlasses (14.2) größer als 0.005m2 ist, insbesondere größer als 0.01 m2; und/oder wobei der Verbrennungsluft- Einlass (16) und/oder Mischgas-Einlass (17) und/oder Koksofengas-Einlass (18) in einem Winkel (a) von 0° in Bezug auf die Mittenlängsachse des Heizkanals oder in einem Winkel kleiner 30°, insbesondere kleiner 20° oder kleiner 10° ausgerichtet sind.
4. Koksofenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Trennwand (14) wenigstens einen weiteren koppelnden unteren und/oder oberen Durchlass (14.2) aufweist, welcher in einer mittigeren Höhenposition näher zur Höhenmitte der Heizkanäle als der außenliegende Kreisstrompfad (19.1 ) angeordnet ist und eingerichtet ist zum Bilden einer inneren inerten Zwischenschicht auf dem zentrischen Strömungspfad (GP4); und/oder wobei die jeweilige Trennwand (14) wenigstens einen weiteren unteren und/oder oberen koppelnden Durchlass (14.2) aufweist, welcher in einer mittigeren Höhenposition näher zur Höhenmitte der Heizkanäle als der außenliegende Kreisstrompfad (19.1 ) angeordnet ist und eingerichtet ist für einen zusätzlichen inneren Kreisstrom zum Bilden einer inneren inerten Zwischenschicht auf einem inneren Kreisstrom pfad (19.2, 19.3).
5. Koksofenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Trennwand (14) wenigstens ein insbesondere zentrisch angeordneter Stufenluftkanal (14.1 ) mit wenigstens einem Stufenluft-Einlass (14.1 1 ) ausgebildet ist; oder wobei in der Trennwand (14) wenigstens zwei insbesondere parallel angeordnete Stufenluftkanäle (14.1 ) ausgebildet sind, welche sich oberhalb des oberen/obersten Abgasrezirkulations-Durchlasses (14.2) vereinigen und in einem obersten Stufenluft-Einlass (14.1 1 ) oberhalb aller Abgasrezirkulations-Durchlässe (14.2) in den beflammten Heizkanal (1 1 ) münden; und/oder wobei in wenigstens einer der Trennwände (14) wenigstens zwei insbesondere parallel angeordnete Stufenluftkanäle (14.1 ) ausgebildet sind, welche oberhalb des oberen/obersten Abgasrezirkulations-Durchlasses (14.2) in zwei obersten Stufenluft-Einlässen (14.1 1 ) oberhalb aller Abgasrezirkulations-Durchlässe in den beflammten Heizkanal (1 1 ) münden.
6. Koksofenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der jeweilige Abgasrezirkulations-Durchlass (14.2) wenigstens eine abgerundete Strömungskante (14.21 ) und/oder konvexe Wölbung aufweist, insbesondere mit einem Radius von mindestens einer viertel Wandlage oder mindestens 30°, insbesondere eine innen in Bezug auf den jeweiligen Kreisstrompfad liegende abgerundete Strömungskante oder konvexe Wölbung; und/oder wobei der jeweilige Abgasrezirkulations-Durchlass wenigstens eine scharfe Strömungskante (14.22) und/oder konkave Wölbung aufweist, insbesondere mit einem Radius von maximal einer oder zwei Wandlagen oder 120mm, insbesondere eine außen in Bezug auf den jeweiligen Kreisstrompfad liegende scharfe Strömungskante oder konkave Wölbung; und/oder wobei der jeweilige Abgasrezirkulations-Durchlass (14.2) wenigstens eine Umströmungskontur mit wenigstens einem Radius und wenigstens einer scharfen Strömungskante aufweist.
7. Koksofenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der Einlässe, insbesondere der Koksofengas-Einlass (18), eine Einlass-Düse umfasst und in einer Höhenposition von 0.0 bis 0.45m, insbesondere 0.05 bis 0.25m oberhalb vom Boden des Heizkanals in den Heizkanal (1 1 , 12) mündet.
8. Verfahren zum Betreiben einer Koksofenvorrichtung (10) zum Herstellen von Koks durch Verkokung von Kohle oder Kohlemischungen bei optimierter minimierter Stickoxidemission durch internen thermischen Energieausgleich mittels koksofeneigener Gase (G1 , G4, G5) durch Maßnahmen intern an der Koksofen Vorrichtung, insbesondere zum Betreiben einer Koksofenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem jeweiligen Zwillingsheizzug (13) der Koksofenvorrichtung mit einem beflammten Heizkanal (1 1 ) und einem abgasführenden Heizkanal (12) mittels wenigstens eines koppelnden Durchlasses (14.2) durch eine Trennwand (14) eine interne Abgasrezirkulation (19) auf einem äußeren Kreisstrompfad (19.1 ) um die Trennwand herum eingestellt wird, wobei im unteren Bereich am Boden (5.4) des jeweiligen Zwillingsheizzuges wenigstens ein Gas aus der folgenden Gruppe eingelassen wird: Koksofengas (G1a), Verbrennungsluft (G1 ), Mischgas (Gi b),
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Abgasrezirkulation (19) auf einem/dem Kreisstrompfad (19.1 , 19.2, 19.3) oder wenigstens einem zentrischen Strömungspfad (GP4) jeweils zentrischer als die eingelassenen Gase (G1a, G1 , Gi b) umfassend Mischgas (Gi b) geführt wird, insbesondere beidseitig umgrenzt von den eingelassenen Gasen.
9. Verfahren nach dem vorhergehenden Verfahrensanspruch, wobei wenigstens ein zusätzlicher innerer Kreisstrom (19.2, 19.3) zentrischer als die eingelassenen Gase (G1 ) und weiter innen als der äußere Kreisstrompfad (19.1 ) und umgrenzt vom äußeren Kreisstrompfad eingestellt wird, insbesondere über wenigstens ein Paar zusätzlicher Durchlässe (14.2) oben und unten.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei der Anteil des auf dem oder den Kreisstrompfaden (19.1 , 19.2, 19.3) intern rezirkulierten Abgases bei Starkgasbeheizung oder bei Mischgasbeheizung bei über 50%, insbesondere über 70%, insbesondere bei 80% eingestellt wird; und/oder wobei das Verfahren für Starkgasbeheizung durchgeführt wird, indem im Wesentlichen Koksofengas verwendet wird oder indem abgemagertes Starkgas mit abgesenktem unterem Heizwert insbesondere kleiner 17000kJ/Nm3 verwendet wird; oder wobei das Verfahren für Mischgasbeheizung durchgeführt wird, indem im Wesentlichen ein Gemisch aus Hochofengas, Koksofengas und optional auch Konvertergas verwendet wird; oder wobei das Verfahren mit Erdgas als zumindest teilweiser Ersatz von Koksofengas durchgeführt wird.
1 1. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei ein unterstöchiometrisches Verbrennungsverhältnis von <0.9 eingestellt wird, insbesondere ein
Verbrennungsverhältnis im Bereich von 0.5 bis 0.8, insbesondere 0.7, insbesondere in der Brennerebene (5.4) am Boden des jeweiligen Heizkanals (1 1 , 12).
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei mittels des rezirkulierten Abgases (G4) eine Zwischenschicht zwischen eingelassenem Gas (G1 ) und einem Stufenluftkanal (14.1 ) oder Gas (G5) aus dem Stufenluftkanal ausgebildet wird, insbesondere in einem Höhenbereich von 5 bis 75% oder 15 bis 50% der Höhe des Heizkanals oder über einen Höhenabschnitt von 0.25 bis 4m; und/oder wobei mittels des eingelassenen Gases (G1 ) ein Gasteppich zwischen der jeweiligen Läuferwand (15) und dem/den Kreisstrompfaden (19.1 , 19.2, 19.3) ausgebildet wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei der Anteil der eingeleiteten Gasmengen zwischen einer ersten Stufe, insbesondere am Boden (5.4) durch den Verbrennungsluft- und Mischgas-Einlass (16, 17), und einer zweiten Stufe (z4) auf 50:50 oder mit noch geringerem Anteil der ersten Stufe eingestellt wird, insbesondere mit Starkgasbeheizung; und/oder wobei das Verhältnis der in die Heizkanäle (1 1 , 12) eingeleiteten Volumenströme wie folgt eingestellt wird: <30% durch den Verbrennungsluft-Einlass (16), <30% durch den Mischgas-Einlass (17), und >40% durch die Rezirkulations-Durchlässe und wahlweise wenigstens einen Stufenluft-Einlass (14.1 1 ), insbesondere mit Starkgasbeheizung; und/oder wobei der in die Ofenkammer am Verbrennungsluft-Einlass und am Mischgas-Einlass eingeleitete Volumenstrom auf zwischen 45 und 55% des durch die Rezirkulations-Durchlässe und wahlweise den wenigstens einen Stufenluft-Einlass eingeleiteten Volumenstroms eingestellt wird, insbesondere mit Starkgasbeheizung.
14. Steuerungseinrichtung (20) eingerichtet zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei die in die Heizkanäle (1 1 , 12) eingeleiteten Volumenströme (G1 , G4, G5) gemäß den Verhältnissen gemäß Anspruch 13 eingestellt werden.
15. Verwendung von abgemagertem Starkgas mit abgesenktem unterem Heizwert zum Betreiben einer Koksofenvorrichtung gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, insbesondere in einer Koksofenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche.
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