EP3681978B1 - 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 Download PDF

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EP3681978B1
EP3681978B1 EP18769664.6A EP18769664A EP3681978B1 EP 3681978 B1 EP3681978 B1 EP 3681978B1 EP 18769664 A EP18769664 A EP 18769664A EP 3681978 B1 EP3681978 B1 EP 3681978B1
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EP
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heating
gas
coke oven
exhaust gas
inlets
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Ronald Kim
Thomas TSCHIRLEY
Rafal Grzegorz Buczynski
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ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
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ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
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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

  • the invention relates to a device and a method for producing coke as well as a control device and corresponding uses.
  • the invention relates to a device and a method according to the respective independent claim.
  • Nitrogen oxides are released in particular by the flue gas generated by coke oven gas combustion or are formed during combustion, especially from a nozzle stone temperature (in the exhaust gas-carrying heating duct on the floor) of approx. 1,250 ° C (so-called thermal NOx formation).
  • thermal NOx formation is exponentially further promoted or fanned with higher temperatures, so that the emission of nitrogen oxides is largely determined by the thermal conditions in the coke oven. It is known that NOx emissions can be influenced by setting a specific temperature regime, particularly in the vertical, flue gas-carrying heating flues of the coke oven. The rule of thumb applies: the higher the temperature, the greater the NOx emissions.
  • a furnace operator therefore tries or is forced by environmental regulations to keep the temperature as low as possible, in particular not to allow it to rise above the limit of 1,250°C.
  • the furnace operator is also interested in an efficient coking process and would like an operating mode with nozzle stone 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.
  • Furnace chambers usually have a height in the range of 4 to 8.5m, with the height of the furnace chambers or heating channels also being dictated by the mode of operation. The height influences the pressure difference that occurs in the heating duct. If a large pressure difference is required, a large altitude must be selected. It can be assumed that the temperature should be kept as constant as possible over the altitude, because only then will it be possible to set an efficient operating state without a too strong increase in NOx emissions.
  • the temperature gradient should be as significantly smaller as possible than 40K or 40°C, especially at a temperature in the oven chamber in the range of 1,000 to 1,100°C. A temperature maximum significantly above the average temperature would promote thermal NOx formation. A coke oven can therefore be operated with an optimal compromise between high output and low NOx emissions if the temperature remains homogeneously just below the temperature at which thermal NOx formation occurs.
  • the simulation of operating states is a useful tool to better assess the effects of individual optimization measures.
  • a coke oven is a comparatively complex system, requiring a corresponding amount of simulation effort.
  • a new design with a new way of routing gas can require several weeks of calculations per calculation, so that simulations can also require several years of work (e.g. with over 100 variations required).
  • a simple design measure must first be checked from numerous aspects for cost reasons alone before this measure can be examined in more detail through simulations. This means that constructive variations on existing furnace designs are only carried out in a very moderate, conservative manner.
  • Measures that have so far been tried and tested directly on the coke oven or on its structural design, which should also work in performance-optimized operating mode, are usually the internal pressure difference-driven or temperature and density differences-driven flue gas recirculation from the heating flue flowing downwards into the upward flow (internal circulation of a partial volume flow of the flue gas , so-called circulating flow), and/or the grading of the combustion air, i.e. the introduction of combustion gas from partition walls or truss walls at different height positions into the heating flues.
  • Circular current routing (partially at one end of the heating duct or completely in a circle) is usually implemented in so-called twin heating flues.
  • Heating cables or heating channels arranged next to one another in pairs, in particular in a vertical orientation, are coupled to one another by returning the gas from the flamed heating channel into the non-flamed heating channel, be it only at an upper/lower reversal point, or be it both above and below .
  • approximately 24 to 40 heating channels can be provided in the direction of expression, i.e. approximately 12 to 20 pairs of twins.
  • An optionally realizable circulating flow can form autonomously due to the pressure differences, i.e. without additional active flow control or support.
  • the heating channels can be coupled to one another at the upper and lower ends by means of an exhaust gas recirculation opening or a passage, in particular in the area of the bottom of the furnace chamber at least approximately at the same height as the inlets.
  • the average nozzle stone temperature in the heating train can be controlled and, in particular, by lowering the local flame temperature (for strong gas heating above 2000°C, for mixed gas heating below 2000°C) it can be kept at a moderate level (e.g. at a nozzle stone temperature of 1240 to 1300 °C), with the effect that NOx emissions can be reduced.
  • the following arrangement (height position) of the lower passage can be mentioned: between 0mm (i.e. directly at the level of the burner level) to 300mm above the burner level.
  • the cross-sectional area is usually specified by a layer height of approx. 120mm. If necessary, the lower passage can be closed in the arrangement on the floor by means of a roller, which can be rolled on the burner level in front of the passage.
  • the passage is advantageously realized by means of a recess in a wall layer (gap or missing stone).
  • Such heating channels or twin heating flues make it possible to influence the temperature profile with comparatively little effort, especially when specifically adapting the circulation of flue gas.
  • the paired heating channels are connected to one another in the upper area via a free opening cross section, i.e. a passage through which the heating channels are fluidly coupled to one another.
  • a partial volume flow of the flue gas that is usually led back into the flamed heating channel is, for example, 30 to 45% of the total flue gas volume generated in the heating channel flowing upwards.
  • Combiflame heating system An example of this arrangement of twin heating flues with circulating current is the so-called Combiflame heating system, which has been established since the late 1980s. This involved a combination of air staging and circulating flow. Before that, until the mid-1980s, there was either air staging (Otto system) or circular flow (Koppers system).
  • the combustion can also be staggered by passing gas or air into the respective heating flue via at least one stepped air duct in at least one height position above the burner level (floor), or by expelling the corresponding exhaust gas. Staged combustion can be combined with circulating current.
  • the structural structure of the coke oven and the associated stability of the coke oven are of great relevance, in particular the structural structure of the individual walls a respective oven chamber and the respective heating flue (rotor walls, partitions). Small structural changes can have major effects on the temperature balance and the coking process. However, each measure may also have very disadvantageous side effects that should be avoided, for example on the statics of the heating walls, on the flow resistance, or on the flow velocities and temperature profiles that ultimately arise. It is therefore to be expected that changes to the structure described in more detail below can only be carried out within a narrow tolerance range.
  • the expert is faced with the task of not risking any weakening of the heating wall composite through new measures.
  • high lateral forces can act on every wall.
  • a high lateral internal pressure driving pressure of the coal charge
  • driving pressure can even cause joints to widen and thereby create unwanted bypass flows (in Connection with coke oven gas overflows and the associated CO formation) arise between individual heating flues and (adjacent) oven chambers.
  • the balance of the gas mixture is thereby disturbed: In particular, there is only an insufficiently large amount of air available for additional quantities of gas to be burned in the heating duct.
  • the furnace chambers are delimited from gas-carrying heating channels by runner walls, in particular on a relatively narrow end face of the respective channel, in particular by two opposite runner walls extending along the entire respective furnace chamber.
  • the individual heating channels are sealed off from one another by so-called binder walls (partition walls), 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 partition walls
  • Three truss walls separate two channels from each other or a twin heating flue from another twin heating flue.
  • a respective heating channel is delimited by two runner wall sections and two truss walls.
  • each heating channel is approx. 450 to 550mm long or deep (middle to middle).
  • a runner wall thickness is, for example, in the range of 80 to 120mm.
  • a truss wall thickness is, for example, in the range of 120 to 150mm.
  • runner wall has become established in common usage. In the present description, this term is used synonymously with the term "partition wall”, in particular to clarify that a runner wall and a truss wall/partition wall can be made in the same construction, namely by stones lined up together on their narrow side.
  • the "runner wall” of a horizontal chamber furnace can also be described as a longitudinal wall arranged lengthwise in the ejection direction, and the "truss wall” can also be described as a transverse (dividing) wall arranged transversely to the ejection direction.
  • Combustion air openings and mixed gas openings are provided on the underside of each heating channel, the function of which can be selected or adjusted depending on the type of heating (mixed gas or coconut oven gas heating).
  • a coke oven gas opening opens into the heating channel.
  • a pair of heating channels is coupled to one another via exhaust gas recirculation openings arranged on the underside of the furnace chambers, so that a twin heating flue with circular flow system is formed.
  • the volume flow through the exhaust gas recirculation openings can be optionally regulated, in particular by means of an adjusting roller arranged on the floor in the burner level and displaceable there.
  • Step gas channels are provided in the truss walls, which introduce combustion air (step gas) into the furnace chamber at one or more height positions (air step or truss wall opening).
  • a common ratio of the volume flows introduced into the furnace chamber can be mentioned: 30% through the bottom-side combustion air inlet, 30% through the bottom-side mixed gas inlet, and 40% through the at least one step gas inlet (binder wall opening). This ratio can also be set analogously for the exhaust of the gases from the furnace chamber, depending on the performance requirements.
  • a bypass flow in the manner of a heating differential can be formed to adjust coking parameters.
  • the bypass flow can be isolated from the heating flues via a particularly horizontal wall or ceiling, in which passages are provided in the ceiling, which can be covered, for example, by means of slide blocks or adjusted with regard to the cross section.
  • DE 735 312 C discloses a composite coke oven with twin heating flues and circulating current heating.
  • AT 147 818 B reveals a coke oven system with twin heating.
  • Heating rooms are provided with installations in the form of permeable honeycomb bodies or honeycomb grids or spherical fills, whereby certain types of flue gas routing are also said to be advantageous in some sections. This is about improving the flow conditions in the Heating rooms, and it is also proposed to supply combustion air at different height positions.
  • the present invention is aimed at optimizing coke ovens through measures directly on the coke oven or on its structural design, in particular through measures on the established heating system with heating flues at least one recirculation opening, in particular with circulating current, in particular in order to obtain the option to be able to operate the coke oven in a performance-optimized operating mode without any downstream system components.
  • heating flues at least one recirculation opening, in particular with circulating current, in particular in order to obtain the option to be able to operate the coke oven in a performance-optimized operating mode without any downstream system components.
  • the object of the invention is to provide a coke oven device and a method for operating the coke oven device, with which NOx emissions can be kept low or, in existing or new systems, can be minimized even when operating under full load, the coke oven device having an advantageously low NOx -Emission level should preferably be possible without downstream system components.
  • it is the task to provide a coke oven device and a method for operating the coke oven device, with which the NOx emissions can be reduced by measures internally in the heating flues.
  • a coke oven device for producing coke by coking coal or coal mixtures, the coke oven device being set up for minimized NOx emissions through internal thermal energy or temperature compensation using the coke oven's own gases or gas streams through primary measures internally on the coke oven device , with a large number of twin heating flues, each with a heating channel that is flamed with gas or combustion air (and therefore flows upwards) and an exhaust gas-carrying heating channel that flows downwards, which heating channels are each delimited from one another in pairs by a partition or binder wall and by two opposite rotor walls from a respective one Oven chamber of the coke oven device are sealed off, the paired heating channels, in particular at both the upper and lower ends, being fluidly coupled to one another 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 external circuit current path, in the lower one At least one inlet from the following group is provided in the area at the bottom of the respective twin heating
  • This exhaust gas recirculation flow path is arranged more centrally than the corresponding flow paths or inflow paths of the admitted gases.
  • the recirculation takes place more centrally than the inflow via the inlets.
  • the heat distribution in the heating channel can primarily be optimized, in particular evened out, in a mirror-symmetrical manner or simultaneously in both the upward and downward flow heating channel.
  • the respective coke oven gas inlet can be arranged in terms of flow technology and thermal energy technology in relation to at least one passage or inlet. Effect: Influencing the heat distribution and gas mixing, especially in the floor area, by means of internal gas flows, i.e. by means of internal flow technology measures. External measures are not required.
  • the internal measures can be purely passive measures, in particular purely constructive measures.
  • the flow conditions can adjust autonomously thanks to design measures. Last but not least, this also makes the operation of the device easier.
  • the oven can be controlled/regulated in a similar way to the previous way.
  • the y position of the respective inlet between opposite partition walls can preferably be at least approximately centric. It has been shown that the y position is to be chosen secondary to the x position and can be chosen largely independently of the x position, in particular according to the respective design advantages or depending on a desired inflow angle.
  • the respective upper passage is arranged below an optionally present heating differential, in particular in one extending in the xz plane Partition wall. Openings of a heating differential, on the other hand, are arranged in a separating bulkhead extending in the xy plane.
  • a lower passage is not necessarily provided.
  • an internal, circulating current can be provided on an additional internal, circulating current path, which is flowed around on the outside (eccentrically) by at least one admitted gas or also by an external circulating current an external circuit current path.
  • circular flow or “circular current path” can also refer to a flow that is not completely closed but, for example, only circular over 180° or 270° .
  • a level of less than 100ppm NOx (at 5% O2) can be realized.
  • the amount of refractory material can also be reduced by up to 5%, with the same output.
  • This technical solution is therefore also very interesting from an economic point of view.
  • a furnace operator can operate the furnace with high output, or at high nozzle stone temperatures, with comparatively low NOx emissions.
  • the measures described in the present description can be applied in particular to coke ovens with chamber operating times between filling and Expressing process between 15h and 28h, or on coke ovens with a heating flue temperature or nozzle stone temperature in the range of approx. 1200 to 1350 °C.
  • the heating channel can also be described as a heating shaft.
  • the respective heating channel is delimited at the bottom by the floor, which floor is also referred to as the burner level, even if no burners are used there (self-ignition, especially at over 800 ° C).
  • a heating channel is a term for a very specific vertical heating flue of the two vertical heating flues of a twin heating flue.
  • a heating flue is to be understood as any of the two vertical heating flues of a twin heating flue.
  • a heating channel In a respective operating state of the coke oven, a heating channel is either flamed upwards or flows downwards. If it is not relevant in the corresponding context of the explanations in which direction the gas flows, the term heating flue is used here instead of the term heating channel.
  • the term heating flue can therefore refer to the heating channel that flows upwards or downwards.
  • a coal mixture is to be understood as a mixture mainly of different types of coal, whereby the mixture can also include, for example, at least one additive from the following group: petroleum coke, oil, types of bitumen, for example in the form of old tires, coal and coke dust, binding or coking aids such as Molasses, oil residues, cellulose-like additives, sulfite or sulfate compounds or alkalis, whereby the mixture can also contain biomass.
  • at least one additive from the following group: petroleum coke, oil, types of bitumen, for example in the form of old tires, coal and coke dust, binding or coking aids such as Molasses, oil residues, cellulose-like additives, sulfite or sulfate compounds or alkalis, whereby the mixture can also contain biomass.
  • the air or gas routing according to the invention can be implemented not only in twin heating flues, but also in so-called four-pass furnaces or alternative arrangements in which the concept of fluidically coupled heating flues is taken up and multiplied in particular when the heating flues are coupled in pairs .
  • the introduced combustion air or heating gas is used to generate the required process heat, be it in the floor area or in specific stepped height positions.
  • the arrangement according to the invention also makes it possible to dispense with multiple staged air inlets (in particular by only providing a single gas stage), particularly for furnace chamber heights below 8m.
  • a modification according to the invention of the position of the lower, bottom inlets makes it possible to reduce the design effort or complexity of the furnace elsewhere.
  • the respective partition preferably has a width (wall thickness) of 80 to 200mm, more preferably 120 to 150mm.
  • the respective runner wall preferably has a width (wall thickness) of 80 to 120mm. This provides sufficiently strong insulation and stability.
  • At least one combustion air or staged air inlet for introducing combustion air from a staged air duct running in the partition into the heating channel in at least one combustion stage height position can be provided in the partition wall.
  • the lower area at the bottom of the heating flue can correspond to the burner level, or also a height range over a maximum of 2 to 3 layers of bricks of a brick oven (2 to 3 wall layers), with a height of each layer in the range of approx. 120mm.
  • the floor area according to the definition of the present description can also extend, for example, to a height of 1200mm.
  • the floor area is preferably defined as an area from the burner level to a height of 100 to max. 800mm above the burner level. Height information in this description refers to the burner level, i.e. to the lowest point of a respective heating channel.
  • a lower passage is a passage that defines a lower turning point of a circulating stream or flow, particularly below an upper passage. The respective lower passage does not necessarily have to be arranged in the floor area.
  • all exhaust gas recirculation passages are arranged more centrally with respect to the width (x) of the heating channel than at least one of the inlets, in particular than all of the inlets. This provides a consistent, clear separation according to the type of gas flows, namely centrally guided recirculation gas and eccentrically guided newly admitted gas.
  • all exhaust gas recirculation passages are arranged more centrally than at least one of the inlets. This enables particularly effective decoupling from the runner walls.
  • at least one exhaust gas recirculation passage is arranged more centrally than all of the inlets. This makes it possible to seal off the rotor walls from recirculated exhaust gas by means of a gas carpet of admitted new gas.
  • all exhaust gas recirculation passages are arranged more centrally than all inlets. This provides a particularly effective arrangement.
  • At least two of the inlets comprising the coke oven gas inlet are arranged on both sides of the coupling passage(s) closer to the rotor walls in such a way that the circulating current flowing from the passage(s) is arranged on a circular current path further inside, closer to the central longitudinal axis of the heating channel than an inflow path of the gases introduced via the corresponding inlets. This can in particular prevent excessive mixing of coke oven gas and combustion air or mixed gas.
  • At least two of the inlets are arranged on both sides of the coupling passages closer to the rotor walls in such a way that the respective exhaust gas recirculation passage between the inlets is laterally enclosed or separated from the inlets and there are at least three or four upward-flowing ones in the corresponding heating channel Partial flows form on flow paths that are at least over a certain height section in the height range from 0 to 1000mm at least run approximately parallel to each other or at least next to each other and lead to delayed mixing in this height section, so that more complete mixing only occurs above this height section.
  • the respective coke oven gas inlet is arranged adjacent to the corresponding rotor wall, and/or the respective combustion air inlet is arranged opposite the coke oven gas inlet adjacent to the corresponding rotor wall.
  • This arrangement as close as possible relative to the runner wall enables centric recirculation even in a floor area, which provides advantages in terms of homogeneous heat distribution.
  • the mixing of the individual gas streams can be delayed or further shifted to a higher height position.
  • 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-symmetrically with respect to a central longitudinal axis in the respective heating channel. This combination of optimization measures delivers a particularly strong effect.
  • the respective partition wall has at least one further coupling lower and/or upper passage, which is arranged in a more central height position (more central in the z direction) closer to the height center of the heating channels than the external circulating current path and is set up to form an internal inert one Intermediate layer on a/the centric flow path between the gas and air volume flows.
  • This allows the temperature distribution to be evened out, especially in the floor area.
  • it has been shown that temperature peaks in specific height positions can be effectively avoided by means of additional recirculation passages, in particular without risking a weakening of the heating wall assembly.
  • a heat-insulating intermediate layer can be formed using gas, through which a partial volume flow of exhaust gas/flue gas can be conducted from the descending heating channel and back into the ascending heating channel, with a combustion-inert intermediate flow being created by means of the intermediate layer can be generated with a combustion-retarding effect.
  • a noticeable NOx reduction effect can be achieved using just a single additional passage.
  • Exhaust gas or a larger exhaust gas volume flow can in such a way that the local temperature is reduced and the temperature profile is evened out in width and/or height.
  • the respective partition wall can have at least one further coupling passage further up, which is arranged further inside closer to the height center of the heating channels than the external circulating current path and is set up to form an inner inert intermediate layer (acting in terms of combustion or mixing technology) between the gas and air volume flows. This enables a homogeneous temperature profile even at higher altitudes.
  • an inert separating layer can be formed by internally introducing internally reused inert exhaust gas, with a heat-insulating function, with the effect of delayed, later mixing.
  • a separating laminar layer can be formed, which prevents cross-mixing or at least shifts it slightly further up to a higher height position.
  • the invention is also based on the knowledge that the exhaust gas can also be guided into a middle height position of the respective heating channel, with a smaller pressure difference than at the upper and lower ends, in the sense of an exhaust gas recirculation passages further out in relation to the furthest outer internal bypass.
  • the bypass or circulating flow located further inside and surrounded by the outer circulating flow does not affect the outer circulating flow or does not affect it noticeably, in particular due to the lower pressure difference. Nevertheless, the heat transfer or the local temperature can be influenced effectively.
  • 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 height center of the heating channels than the external circulating flow and is set up for an additional internal bypass circulating flow (additional recirculation ) upwards or downwards to form an inner inert intermediate layer (acting in terms of combustion or mixing technology) between the gas and air volume flows on an additional inner bypass circular flow path, the inner inert intermediate layer preferably being delimited by the outer circular current path.
  • the respective partition has a plurality of further coupling exhaust gas recirculation passages, which are arranged above and below at least one air stage in the partition and are set up for at least two additional bypass circuit flows further inside, closer to the height center of the heating flues than the one on the outside Circulating flow around one or more of the air stages, for forming one or more inner inert intermediate layers (acting in terms of combustion or mixing technology) between the gas and air volume flows on an additional inner bypass circuit flow path, the respective inner inert intermediate layer preferably being delimited by the outer circuit flow path .
  • This enables a graduated 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, in particular thanks to primarily laminar flow conditions in at least one inert intermediate layer. Delaying 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 occurs at the earliest above that of a NOx formation zone.
  • the energetically and economically advantageous concept of circulating current can then advantageously continue to be used be used when a very high flame temperature prevails, i.e. 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 or flow velocity of the recirculated gas.
  • the respective lower/lowest exhaust gas recirculation passage extends over several wall layers or fireproof layers in the height direction, in particular over at least 2 to 5 wall layers. This also enables an adequate flow profile. It can also be easily integrated into an existing construction.
  • the inner inert intermediate layer is arranged further inside or more centrally in the x direction than the flow paths of the inflowing gases and further centrally or in a more central height position than the outer circular current path. This promotes graduated influence in the relevant height position.
  • the exhaust gas recirculation passages are arranged in the area 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.
  • the respective lower exhaust gas recirculation passage is arranged between the respective coke oven gas inlet and the respective combustion air and/or mixed gas inlet. This enables the previously explained influence on the temperature and flow profile, particularly in the bottom area, in particular a separation of the individual gas streams.
  • the respective coke oven gas inlet is arranged closer than the third of the width of the heating train (x distance between opposite rotor walls) to the rotor wall, 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, whereby the respective lower exhaust gas recirculation passage is closer than the third of the width of the heating flue to the center or to
  • the central longitudinal axis of the heating cable is arranged, in particular at an x-distance of 30 to 300mm. This provides effective separation of the gas streams.
  • the flow paths can run parallel without or before cross-mixing occurs.
  • the respective combustion air inlet and/or mixed gas inlet is arranged closer than the third of the width of the heating flue (x-distance between opposing rotor walls) to the rotor wall, and the respective lower exhaust gas recirculation passage is closer than the third of the width of the heating flue arranged towards the center of the heating cable, in particular at an x-distance of 30 to 300mm.
  • This provides effective separation of the gas streams.
  • the flow paths can run 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, from an inner surface of the rotor wall. This can also provide constructive advantages.
  • At least one further lower exhaust gas recirculation passage or at least one further pair of lower exhaust gas recirculation passages is provided for each twin heating flue, in particular in at least one further height position above the (first) lower coupling passage, in particular below at least one stepped air inlet. This enables targeted influence on the temperature and flow profile in selected altitude positions.
  • At least two further pairs of lower exhaust gas recirculation passages are provided in at least two further height positions above a lowest pair of passages for each twin heating flue, in particular three to seven pairs of lower exhaust gas recirculation passages in three to seven further height positions. This provides great variability with up to seven internal circuit currents.
  • up to ten additional lower exhaust gas recirculation passages or up to ten pairs of lower exhaust gas recirculation passages are arranged in further height positions below the stepped air inlets for each twin heating flue. This enables the recirculated gas to be distributed in such a way that the circulating flow can form homogeneously and the gases can gradually mix with one another in the respective height position.
  • a higher number of passages also opens up the option of geometrically adapting the passages to the desired flow condition without restricting the boundary conditions.
  • staged air is used here synonymously with the term staged gas.
  • a stepped air duct can also carry gas unlike 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 stepped air inlets for each twin heating flue. This enables optimization by combining circulating flow paths of recirculated gas and inflow paths of staged 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 all staged air inlets for each twin heating flue. This provides particularly high variability.
  • each twin heating flue there is 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 or arranged by all staged air inlets. This also enables an internal circuit flow (path) that is decoupled from the gas introduced in stages.
  • 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 all staged air inlets for each twin heating flue. This provides particularly high variability.
  • the exhaust gas recirculation passages are arranged above all step gas inlets, part of the hot exhaust gas can be guided into the downward flow heating channel before the reversal point, which has a positive influence on the temperature control, especially in the gas collection space above the charge.
  • temperatures usually do not exceed 800 to 820°C (soot formation, chemical quality of the raw gas).
  • the temperature of the respective furnace chamber can also be reduced by exhaust gas being recirculated further down.
  • the exhaust gas recirculation passages can each be provided in pairs or individually, i.e. even if there are an odd number, for example three or five additional exhaust gas recirculation passages.
  • At least two intermediate layers are provided between the individual passages.
  • This also provides good stability.
  • Such stabilization of the heating wall composite consisting of the runner and binder wall is advantageous in terms of stability against coal driving pressures (maximum at around 75% of the cooking cycle).
  • Coke ovens are usually constructed in layers, with layer heights including a joint between 100 and 160mm, especially approx. 120 to 130mm.
  • the construction theory for coke ovens teaches that as many stones as possible in a heating wall should be connected using a tongue-and-groove connection, or by means of tongue-and-groove curvature.
  • the heating wall composite is weakened and there is a risk of deformation and raw gas leaking out of the furnace chamber through widening joints. This can disadvantageously lead to CO formation due to insufficient quantities of combustion air in the heating duct. Therefore, high stability in the lateral (horizontal) direction is very important.
  • Prestressing of the heating wall in the vertical direction is also desirable in order to protect the heating wall composite from vertical bending.
  • a tongue and groove connection is therefore preferred on the top and bottom sides of the stones.
  • the vertical prestressing of the heating wall takes place in particular via a sufficiently large ceiling weight.
  • the recirculation passages are arranged as follows: each a wall layer with a recirculation passage and above it a composite-stabilizing refractory material layer without a passage, always alternating up to, for example, a maximum of ten passages; or one wall layer with a recirculation passage and above it two bond-stabilizing refractory material layers without a passage and then a wall layer with a recirculation passage and above it one or two bond-stabilizing refractory material layers without a passage.
  • This provides good stability.
  • the passages are comparatively small, but can be easily integrated into the design of the oven.
  • step air duct with at least one step air inlet is formed in the partition, in particular with at least one step air inlet above at least one recirculation passage.
  • At least two staged air channels are formed in the (respective) partition, which unite above the upper/topmost exhaust gas recirculation passage and open into the flamed heating channel in a topmost staged air inlet above all the exhaust gas recirculation passages.
  • This also enables, for example, an optimization of the temperature and flow profiles by means of gas introduced in stages at different width positions or (x) positions.
  • the combined passage can be easily adjusted from above on the ceiling using an adjusting element or slider.
  • At least two step air channels are formed in at least one of the partition walls, which open into the flamed heating channel above the upper/top exhaust gas recirculation passage in two top step air inlets above all exhaust gas recirculation passages.
  • the gas introduced in stages can be introduced into the heating channel homogeneously across the width (x-direction).
  • the redundant design of the staged air ducts provides the advantage that the circulating flow, particularly in the lower area of the heating duct, can be moved to the center as desired and can therefore be very effectively decoupled from the admitted gases. This can also result in design advantages, including cost advantages in the construction of the device, or advantages for operation.
  • the stepped air ducts can also be relocated to the outside, so that an inert exhaust gas flow can be formed as centrally as possible (at least more centrally than the other gases) using recirculated gases. An advantageous secondary heat distribution can also be achieved. Last but not least, there are constructive advantages.
  • the respective lower/lowest 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, particularly in coordination with the arrangement of the inlets.
  • a lower edge of the lowest recirculation passage is arranged in the range 0 to 150 mm above the burner levels, above this is a stabilizing separating layer with a height of approximately 120 to 130 mm, and above this is another passage with a minimum height of, for example, approximately 120 mm, with this alternation between Passage and separation layer can extend up to a height of 800mm.
  • the coke oven gas inlet or the corresponding gas flue 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 more centrally arranged flow paths of the recirculation gases.
  • the grading is only provided in the ascending heating channel.
  • At least three additional coupling exhaust gas recirculation passages are provided, with at least two inner additional circular flows being formed, with one exhaust gas recirculation passage being provided above and below a gas stage (outlet of a staged air duct).
  • 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 duct (or with respect to a normal to the floor or with respect to the vertical) or aligned at an angle of less than 30°, in particular less than 20° or less than 10° with respect to the vertical (z), in particular all inlets inclined or aligned in the same direction.
  • This orientation which is as vertically upward as possible, enables a centrally arranged flame, which provides advantages in terms of temperature distribution.
  • the exhaust gas volume flows can flow centrally and almost vertically upwards, i.e.
  • the new, admitted gases can form a gas carpet for isolation.
  • the volume flows do not collide with the walls. This allows the combustion to be directed towards the center of the heating channel, not the outer surfaces, which means that moderate temperatures can be set. Local temperature peaks can be effectively avoided.
  • the respective inflow pulse can be used particularly advantageously for additional suction of flue gas from the unflamed heating channel or for more targeted mixing of the gases.
  • the respective inflow pulse can be delivered to the other gases, so it does not dissipate on the walls.
  • the inlets in previous ovens are usually oriented obliquely at a large angle of inclination of over 30°. It has been shown that the inflow momentum of the respective gas is not used particularly effectively with this orientation, especially not for Sucking in flue gas from the unflamed heating duct.
  • the orientation 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 a maximum of 0.06m 2 , in particular even with oven chamber heights over 6m.
  • a cross-sectional area of a maximum of 0.06m 2 , in particular even with oven chamber heights over 6m.
  • the inlet impulse of the media can also be increased in such a way that the rate of recirculated exhaust gas can be increased, in particular from approximately 30 to 45% to approximately 50 to 80% with coke oven gas heating.
  • a high flow velocity can be set, with the effect that the volume flow of exhaust gas sucked in or entrained increases.
  • high inflow velocities into the heating flue of greater than 2m/s can be achieved.
  • a stable flame contour can also be ensured, which promotes delayed burnout characteristics.
  • the cross-sectional area of the respective lower and/or upper exhaust gas recirculation passage is greater than 0.005m 2 , in particular greater than 0.01m 2 . This enables a comparatively weak flow impulse of the recirculated exhaust gas, with the effect that the flow impulse of the newly admitted gas has a stronger effect. With a comparatively small newly admitted volume flow, a large effect can be achieved and a high circulating flow rate can be selected.
  • the cross-sectional area of the respective lower exhaust gas recirculation passage has a rectangular, elongated geometry, in particular in the width direction (x), transverse to the ejection direction. This allows for easy integration into the walls, with the option of size adjustment with minimal design effort.
  • the cross-sectional area of the respective upper exhaust gas recirculation passage can have a rectangular geometry, in particular in the width direction (x), transverse to the expression direction, an elongated geometry, or a square geometry.
  • the respective inlets and/or the respective passages can be of the same size or can be specifically adapted to 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 a quarter wall layer (corresponding in degrees or millimeters) or at least 30°, in particular one on the inside with respect to the respective circular current path lying rounded flow edge or convex curvature.
  • the respective exhaust gas recirculation passage has at least one sharp flow edge and/or concave curvature, in particular with a radius of a maximum of one or two wall layers (corresponding in degrees or millimeters), in particular a sharp flow edge lying on the outside in relation to the respective circular current path or concave curvature. This can ensure that the flow flows on an optimal flow path.
  • Gas guiding contours can be provided by means of the passages or in the passages.
  • the respective exhaust gas recirculation passage has at least one flow around contour with at least one radius and at least one sharp flow edge (or tear-off edge).
  • This combined contour provides a particularly good fluidic effect and has the advantage that an additional internal circulating flow can form even at very low differential pressures.
  • the respective radius can in particular be formed 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 there can only be very small pressure differences in the range of a few Pascals (Pa).
  • Pa Pascals
  • 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, in particular in connection with a stabilizing web in the partition.
  • This allows The flow profile can also be influenced over a larger width range (x). With regard to the horizontal, an offset between 10 and 200mm can be advantageous, especially for improved cooling effect.
  • At least one transfer passage is set up below the exhaust gas recirculation passage(s), in particular in a central structure above a regenerator of the coke oven device, for introducing recirculated exhaust gas on the underside of the respective heating channel at a position between the mixed gas inlet and the combustion air inlet arranged.
  • These transfer passages have a larger flow path and are designed like a channel (round or rectangular) and can be provided in combination with the bypass openings (heating differential) described above.
  • 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 0.45m, in particular 0.05 to 0.25m above the bottom of the heating channel. It has been shown that such a distance from the ground has a positive effect on the flow profile in the ground area.
  • This design of the nozzle can be referred to as gas staging 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 0.25m high above the channel base (burner level) and is preferably made of refractory material. The coke oven gas flows in from this pipe at a height of approx. 0.25m and mixes with the air flowing in from the ground.
  • a height position of the nozzle tube of less than 500 mm or preferably less than 350 or 300 mm can also protect the nozzle arranged therein from carbon or soot caking, which reduces the flow cross section, and from high temperatures, and a loss of performance can be prevented.
  • the nozzle is located below the burner level in the battery cellar, which is operated under atmospheric conditions (no risk from high temperatures).
  • the nozzle tube protrudes 0.05 to 0.5m, preferably 0.25m, into the heating channel, so that the gas is admitted at the same height position in bottom burner ovens as in side burners.
  • the inlet nozzle is aligned orthogonally to the bottom of the heating channel, in particular vertically.
  • the further inlets are also preferably aligned at least approximately orthogonally or vertically.
  • the aforementioned object is also achieved according to the invention by a method for operating a coke oven device for producing coke by coking coal or coal mixtures with optimized minimized NOx emissions through internal thermal energy compensation using the coke oven's own gases through primary measures internally on the coke oven device, in particular for operating a previously described coke oven device, wherein in a respective twin heating flue with a flamed heating channel and a heating channel carrying flue gas or exhaust gas, in particular at both the upper and lower end of the heating channel, around a partition by means of at least one coupling passage, in particular by means of upper and lower coupling Passages through which an internal exhaust gas recirculation is set on an external circuit current path around the partition, with coke oven gas and/or combustion air and/or mixed gas being admitted in the lower area at the bottom of the respective twin heating flue, i.e.
  • coke oven gas i.e. closer to the central longitudinal axis in the
  • a decoupling from the exhaust gas recirculation can be achieved in terms of flow technology and thermal energy technology using at least one of the admitted gases.
  • the recirculated partial gas volume flow can be forwarded and used as an inert intermediate layer in such a way that the inert intermediate layer contains the reactances gas and Air is initially separated in the lower area of the heating duct (combustion technology decoupling) and as the flow progresses in the vertical direction further up it causes a delayed burnout characteristic. This can produce a NOx reducing effect.
  • At least one heat-insulating intermediate layer is formed from a partial volume flow of exhaust gas/flue gas from the descending heating channel in a partition between the heating channels.
  • At least one additional inner circuit flow is set more centrally than the admitted gases and further inside than the outer circuit flow path and bordered by the outer circuit flow path, in particular via at least one pair of additional passages at the top and bottom. It has been shown that a further internal circuit flow provided further inside can be formed when there is a pressure difference in the range of a few Pascals. 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 the additional circulating current can still be formed.
  • the proportion of the exhaust gas internally recirculated on the circulating current path or paths is set to over 50%, in particular over 70%, in particular to 80%, in the case of strong gas heating or mixed gas heating.
  • the proportion of recirculated exhaust gas was previously a maximum of 25 to 45% for heavy gas heating or a maximum of 10 to 20% for mixed gas heating.
  • the high recirculation rate can be achieved through optimized gas routing and enables an energy-efficient process with minimized emissions.
  • the strong gas heating method is carried out by essentially using coke oven gas; or wherein the method for mixed gas heating is carried out by essentially using a mixture of blast furnace gas, coke oven gas and optionally also converter gas; or wherein the process is carried out using natural gas as at least a partial replacement for coke oven gas. It has been shown 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 (too large a proportion), coke oven gas (too small a proportion), and optionally also converter gas.
  • a coke oven particularly a composite oven
  • a coke oven is only heated with strong gas for around 5% of its operating time per year, with a significantly higher flame temperature of over 2,000°C (high calorific value of the strong gas or coke oven gas).
  • Blast furnace gas on the other hand, the flame temperature is only in the range of approx. 1,700°C.
  • Purified coke oven gas with lower calorific values between 17,000 and 19,000 kJ/Nm3 is used as strong gas, particularly in downstream system components.
  • Strong gas usually consists of CO, H2, CH4, O2, N2, CO2 and higher hydrocarbons.
  • the circulating flow rate of the recirculated exhaust gas can be increased from the previous approx. 30 to 45% to over 50% with strong gas heating, and with mixed gas heating from the previous approx. 15 to 25% also to over 50%.
  • This enables very effective cooling of the flame temperature in the upward-flowing heating channel with comparatively cold exhaust gas.
  • a cooling effect in the range of at least 5 to 60 ° C can be achieved, whereby thermally formed nitrogen oxides can be minimized.
  • a uniform coke quality can also be achieved, particularly thanks to a very homogeneous heat flow, and thanks to lower temperature gradients, thermal stress on the chamber walls can be minimized.
  • the furnace can be operated at lower heating temperatures, with at least approximately the same coking rate as in furnaces 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 other, higher hydrocarbons.
  • Methane's low flame temperature makes methane a preferred replacement for coke oven gas (less thermal NOx is formed).
  • methane/natural gas is more expensive.
  • the purified coke oven gas produced in the factory would 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 from 0.5 to 0.8, in particular 0.7, in particular in the bottom area in the burner plane at the bottom of the respective heating channel.
  • the air ratio can be set independently in the range from 1.2 to 1.3.
  • the combustion ratio can be regulated by supplying the total amount of air from a heating wall consisting of, for example, 10 to 25 twin heating flues into the air valves in front of the entire battery.
  • a heating wall consisting of, for example, 10 to 25 twin heating flues into the air valves in front of the entire battery.
  • metal sheets are placed as resistance in the inlet cross section of the respective valve in order to reduce the amount of air sucked in and thus the so-called air ratio of the entire heating wall.
  • regulating flaps can be provided in the air valves to further influence the total quantity or the direction of partial quantities, which partial quantities flow into individual regenerator segments. For example, a first regenerator preheats the respective gas and air of the subsets flowing in at the bottom, and a second regenerator preheats subsets for staged air.
  • a preferably laminar intermediate layer is formed between the admitted gas and a staged air channel or gas from the staged air channel by means of the recirculated exhaust gas, 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 make it easier to separate the gas streams.
  • an insulating and mixing-retarding gas carpet is formed between the respective rotor wall and the circulating current path(s) by means of the admitted gas.
  • the laminar flow or intermediate layer can be characterized in particular by Reynolds numbers less than 2320.
  • the proportion of the quantities of gas introduced 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) is 50:50 or with an even smaller proportion of the first Level set.
  • a higher proportion of recirculated gas can optionally lower the proportion of gas introduced at the bottom in the first stage. This enables further variations in influencing the flow profile, especially in the bottom area.
  • the ratio of the volume 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 set or regulated to between 45 and 55% of the volume flow introduced through the recirculation passages and optionally the at least one staged air inlet. This also enables more effective influence at different height positions. The process is carried out in particular with strong gas heating.
  • the method with strong gas heating is preferably carried out with lean strong gas with a reduced lower calorific value in strong gas heating mode by providing a gas with a lower calorific value in the range from 14,000 to max. 17,000 kJ/Nm3 as the strong gas. This allows the flame temperature to be reduced considerably in conjunction with the measures described above, in particular by a difference of 50 to 300K.
  • the aforementioned object is also achieved according to the invention by a logic unit or control device set up to carry out a method described above, the volume flows introduced into the heating channels being adjusted in accordance with the conditions explained above, and/or the direction of flow in the heating flues being changed cyclically, especially every 15 to 25 minutes.
  • the switching time is, for example, in the range of 1 to 2 minutes.
  • the aforementioned object is also achieved by using at least one partition with at least one positioned further inside in the width direction (x) more centrally than at least one gas inlet, in particular more centrally than all gas inlets Exhaust gas recirculation passage in a twin heating flue of a coke oven device, in particular in a previously described coke oven device.
  • the aforementioned object is also achieved by using at least one partition with at least one exhaust gas recirculation passage positioned further inside in the width direction (x) more centrally than gas inlets exclusively in the half of the twin heating flues of the coke oven device facing the coke side of a coke oven device, in particular in a previously described coke oven device.
  • the aforementioned object is also achieved by using at least one partition with at least two step air channels, in particular arranged in parallel, which combine above one/the uppermost exhaust gas recirculation passage and open into a flamed heating channel in a top step air inlet above all exhaust gas recirculation passages ; and/or by using at least one partition with at least two step air channels arranged in particular in parallel, which open into the flamed heating channel above one/of the upper/topmost exhaust gas recirculation passage in two top step air inlets above all exhaust gas recirculation passages, in particular in each case in a previously described one Coke oven device.
  • This provides high variability with regard to individual optimization measures.
  • the coke-side half becomes hotter than the coal-side half, so that it may be sufficient to implement the measures described here in the coke-side half, for example 6 to 25, in particular in a maximum of 20 pairs of twins arranged further back in the ejection direction, i.e. each Oven chamber in approximately 6 to 25, especially in a maximum of 20 partitions.
  • the aforementioned object is also achieved by using a previously described coke oven device for coking coal or a coal mixture comprising at least one additive from the following group: petroleum coke, oil, types of bitumen, for example in the form of old tires, coal and coke dust, binding or coking aids such as e.g. molasses, oil residues, cellulose-like additives, sulfite or sulfate compounds or alkalis, whereby the mixture can also contain biomass.
  • additives from the following group: petroleum coke, oil, types of bitumen, for example in the form of old tires, coal and coke dust, binding or coking aids such as e.g. molasses, oil residues, cellulose-like additives, sulfite or sulfate compounds or alkalis, whereby the mixture can also contain biomass.
  • the aforementioned object is also achieved according to the invention by using lean strong gas with a reduced lower calorific value when operating a previously described coke oven device.
  • the lean strong gas is provided in particular by mixing blast furnace gas and strong gas.
  • the percentages add up to 100% for the respective gas mixture, depending on the expert's selection.
  • the components of the respective gas mixture add up to 100 percent.
  • a tolerance of +-15% can be mentioned as a range of fluctuations for the individual components.
  • the Figures 1A, 1B , 1C , 1D, 1E , 1F, 1G , 1H show a coke oven 1 in the manner of a horizontal chamber oven, with several oven chambers 2, each with a coal charge.
  • the Furnace chambers 2 have a height z2 of, for example, 6 to 8m.
  • the furnace chambers 2 are sealed off by runner walls 3, each of which extends in a yz plane.
  • pairs of heating channels 5.1, 5.2 each form a twin heating flue 5, the inner wall 5.3 of which separates the heating space through which gases flow (free of coal) from the respective furnace chamber.
  • the heating channels 5.1, 5.2 are operated alternately as a flamed or exhaust gas-carrying heating channel, which requires switching the flow direction and in a cycle of, for example, 20 minutes. he follows.
  • the paired heating channels are each separated from one another by a coupling partition (binder wall) 4, in which a coupling passage 4.4 is provided at the top and bottom, via which a circulating flow 9 of recirculated exhaust gas can be realized.
  • Adjacent twin heating flues are completely sealed off from each other by a partition wall 4a without any passages.
  • a staged air duct 4.1 is arranged in the partition walls 4, 4a, which is coupled to the heating duct 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, into which stepped air is admitted.
  • the respective walls are made of stones, each of which defines a wall layer 3.1.
  • the x-direction indicates the width of the furnace 1
  • the y-direction indicates the depth (or the horizontal expression direction in a horizontal chamber furnace)
  • the z-direction indicates the vertical (vertical axis).
  • the central longitudinal axis M of the respective heating channel runs through the center of the respective heating channel, which is arranged centrally in the x and y directions with respect to the inner surfaces/inner walls.
  • the center of each twin heating flue is not marked. It lies approximately in the center of the respective partition wall with a circular flow, in particular in the center of a centrally arranged stepped air duct.
  • 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).
  • inlets are arranged, namely a (first) combustion air inlet 6, in particular for coke oven gas heating, and a further combustion air inlet 7, in particular for mixed gas heating, and a coke oven gas inlet 8 Gas introduced via the inlets flows upwards on the wall surfaces 4.3 of the partition walls and on the inner walls of the runner walls.
  • the following 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 oven chamber.
  • the present invention particularly relates to a distribution of the temperature T2 that is as homogeneous as possible.
  • the gas stream G1 indicates newly admitted or supplied heating gas or combustion air.
  • the gas stream G1 can comprise a gas stream G1a (coke oven gas) and/or a gas stream G1b (mixed gas).
  • the gas stream G4 characterizes recirculation exhaust gases, which are returned or circulated.
  • the gas flow G5 indicates gas or air from a respective combustion stage 4.2, 14.11, and the gas flow G6 indicates exhaust gases that are discharged from the respective heating duct or heating flue.
  • the distance d4 between previously known passages 4.4 in the x direction is comparatively large.
  • the distance d5 of the coke oven gas inlet 8 to the further inlets 6, 7 in the x direction in particular a distance between the coke oven gas inlet 8; G1a and the other admitted gas streams G1 are 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 runner wall 3 is comparatively small (in particular, a distance of 120 to 140 mm was previously maintained between the runner wall and the outer edge of the passage).
  • 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.
  • Fig. 1G shows schematically a heating differential 5.6 with individual openings 5.61, through which the gas can be redirected in a head area of the heating channel.
  • the heating differential 5.6 is separated from the respective twin heating flue by an (intermediate) ceiling 5.7.
  • the heating differential 5.6 is independent of the circuit current 9.
  • FIG. 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 show the individual measures according to the invention for optimizing the temperature profile in the respective heating channel.
  • FIG. 8A , 8B , 8C , 8D, 8E Individual measures are further illustrated in detail.
  • a coke oven device 10 with oven chambers 10.2, in particular with horizontal chamber oven chambers, has a plurality of twin heating flues 13, each with a flamed heating channel 11 and a heating channel 12 carrying exhaust gas.
  • the heating channels define with their inner wall 11.1 a heating cable for passing gases through.
  • the individual heating channels are separated from one another by partition walls (binder wall) 14 with coupling passages 14.2 and isolating partition walls 14a without passages.
  • At least one staged air channel 14.1 with one or more combustion stages 14.11 or inlets or outlets from/to the heating channel is provided in the partition walls 14, 14a.
  • Runner walls 15 limit the furnace chambers and heating channels in the y direction.
  • Gas can flow into the respective heating channel via several 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 admitted and recirculated gas flows downwards or upwards through the respective heating channel both centrally and on the inner surfaces 14.3, 15.1 of the respective partition or rotor wall.
  • FIG. 2 one of the measures according to the invention is primarily illustrated.
  • a circular current 19 is formed by several circular currents that flow around each other on several paths.
  • an outer circular current path 19.1 is shown, which delimits and flows around two further inner circular current paths 19.2, 19.3, the inner circular current paths 19.2, 19.3 being defined via the corresponding additional exhaust gas recirculation passages 14.2.
  • Fig. 2 shows an arrangement with three circular current paths 19.1, 19.2, 19.3, which run around a stepped air outlet 14.11 arranged at least approximately at half the height position in the heating duct.
  • Staged gas G5 flows from the staged air outlet 14.11.
  • staged air outlets can also be provided, in particular above the innermost circular current path 19.3.
  • the optimization of the flow and heat profile can be carried out primarily by means of the recirculated gas G4, both in the floor area and in several height positions above.
  • Fig. 3 shows an arrangement with more than three circuit current paths, the number of lower passages being greater than the number of upper passages.
  • the optimization can be carried out, particularly in the floor area, primarily by means of recirculated gas G4, without the need for a stepped inlet of stepped gas.
  • a heating differential 5.6 is provided in the head area of the heating channel, which can be switched on, for example using slide blocks, independently of the respective circulating currents.
  • Fig. 4 shows an arrangement with more than three circuit current paths, with the number of lower passages being significantly larger 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 14.11 of a central stepped air duct.
  • the six lower passages are provided in pairs adjacent to the stepped air duct, and the upper passages are individually provided and centrally arranged.
  • a single central lower passage is arranged above the stepped air outlet. This arrangement results in a particularly wide central two-stream flow path from bottom to top, which is supplemented further above by staged gas and the centrally introduced recirculation gas.
  • the cross-sectional area Q14 of the respective coupling passage 14.2 on the inner surface to the heating channel is described.
  • the cross-sectional area Q14 is arranged above a stepped air duct 14.1
  • Passages 14.2 is wider or more elongated than the cross-sectional area Q14 of passages 14.2 arranged laterally next to the stepped air duct 14.1.
  • Fig. 5 shows an arrangement with compared to Fig. 4 several central step air outlets 14.11 and with passages with different cross sections: 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 surrounded on both sides by several lower passages, but not in pairs.
  • the number of lower passages on one side is unequal to the number of passages on the other side.
  • the passages stretched in the z-direction enable an advantageous relative arrangement, in particular very centrally (comparatively small distance d2), and in particular with an optimized flow profile.
  • the comparatively large cross section Q14 of the passage shown on the right allows a strong flow effect of the admitted gas G1, especially over a large height section.
  • 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 arranged centrally in the heating flue is shown in the x direction to one another.
  • this distance d2 is very small, in particular 30 to 100mm, preferably 50 to 70mm.
  • the passages 14.2 can, according to the invention, be positioned as close as possible next to it in the x direction.
  • Fig. 6 shows an arrangement with two staged air ducts, which open separately into the heating duct at several height positions. All lower passages 14.2 below the top step air outlet are arranged centrally, in particular symmetrically with respect to the central longitudinal axis. Above the staged air inlets 14.11, two further pairs of lower passages (four passages) are arranged in a width position (x) at least approximately corresponding to the width position of the staged gas outlets 14.11. The paired passages can also be arranged at several height positions, including directly next to each other on the side.
  • the lower passages can also be designed to be narrower than the upper passage(s) and/or narrower than the uppermost lower passages.
  • the uppermost lower passages can also be provided as single passages (not 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 staged air ducts, which, combined together, open centrally into the heating channel in a height position between individual lower passages 14.2, with additional separate staged air outlets optionally being provided in the respective staged air duct.
  • the central stepped air inlet 14.11 extends in particular over a width which completely overlaps the lower passage above.
  • the lower passages are arranged offset from one another in the x direction by the offset x2.
  • the offset x2 also provides the advantage of a particularly wide, homogeneous flow (without a stronger flowing core), especially with passages 14.2 that are comparatively wide in the x direction. The circulating current can thereby be made even more homogeneous.
  • several upper passages can be provided. Such an offset can also occur in the in Fig. 6 shown arrangement can be provided.
  • Fig. 7 an offset x2 in the x direction is illustrated.
  • This offset between adjacent passages 14.2 is in particular 50 to 100 mm and provides the advantage of good heat distribution.
  • the Fig. 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 all show recirculation with full circulating current in the circuit.
  • the lower passage(s) can be dispensed with, especially if the measures described here are to or must be implemented independently of a full circuit flow, be it in individual twin heating flues or in the entire furnace device.
  • Fig. 8A is shown schematically (in some heating channels) the arrangement of the inlets 16, 17, 18 opposite one another and spaced in the x direction from the central longitudinal axis as close as possible to the rotor walls 15. This arrangement can be selected for each of the heating channels or modified.
  • Fig. 8B it is shown that the inlets 16, 17, 18 are arranged further outwards in the x direction than the passages 14.2.
  • the passages are arranged at a distance d14 from one another that is smaller than the distance d15 of the inlets.
  • Fig. 8C it is shown that the step gas G5 flowing in most centrally in the center is flowed around on both sides by recirculated gas G4, which is flowed around by admitted gas G1, G1a, G1b further out.
  • the in Fig. 8C Angle ⁇ shown, in particular relating to the coke oven gas inlet 18, is set excessively large for better understanding. According to the invention, the angle ⁇ can be particularly small, in particular converge to zero or be 0°. Depending on the design of the central structure, an angle in the range of 5 to 10° can also be a rational compromise between additional constructive, technical effort and the achieved flow effect.
  • the passages 14.2 shown or the stepped gas inlet 14.11 can be arranged in the arrangement, number and geometry according to the in Fig. 2 to 7 The variants discussed can be varied.
  • the individual gas streams G1, G1a, G4, G5 shown show how, according to the invention, a separation of the gas streams or a parallel flow can be achieved at least over a certain height section.
  • the distance d14 between the passages 14.2 in the x direction is comparatively small, in particular less 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 larger than the distance d14, in particular at least 35, 40, 45, 50 or 55 percent larger.
  • 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 (for paired passages).
  • the distance x14 is at least greater than 40 percent of the width (x) of the heating channel, especially in the floor area.
  • the distance x16, x18 of the inlet 6, 8 to the rotor wall 15 is comparatively small, in particular less than 20, 15 or 10 percent of the width (x) of the heating channel.
  • the distance x16, x18 is each 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 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 indicates flow paths according to the invention of recirculated exhaust gas/flue gas G4, and the respective gas flow path GP5 indicates flow paths according to the invention of gas G5 introduced in stages.
  • the in Fig. 8C , 8E illustrated inflow angle ⁇ is preferably smaller than 30°, in particular smaller than 10° in each case with respect to the z-axis.
  • the inflow angle ⁇ can also be implemented analogously for the other inlets 17, 18.
  • the respective y position of the individual inlets can in particular be central.
  • the distances and relative positions mentioned in relation to the respective inlets and passages can also relate reciprocally to the distances and relative positions of the respective gas flow paths/circular flow paths, at least in a section upstream of a subsequent mixing with neighboring gas flows.
  • a passage cross-section is shown in the yz plane.
  • the recirculated gas G4 flows through the respective lower passage 14.2 coming from above and also flows upwards again.
  • 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 downwards. This promotes low flow resistance.
  • the partition 14 also limits the passage at the bottom.
  • the circular flow which here has a very narrow radius, can therefore flow through the passage and be redirected upwards without strong turbulence.
  • One or more sharp edges 14.22 can limit a flow downwards.
  • This type of flow optimization also makes it possible to achieve a major effect through the way the new gases are admitted.
  • the recirculated gases G4 generate little or no turbulence, so that the flow profile can be effectively optimized using the inlets.
  • the coke oven device 10 can have a control unit 20, set up to control/regulate one of the previously described volume flows V (t), in particular at least the volume flows G1, G1a, G1b, G4, G5, G6. Controlling and adjusting the volume flows makes it possible to influence the flow and temperature profile in the respective heating channel 11, 12. The NOx emissions can therefore also be adjusted indirectly via the volume flows.
  • Fig. 11, 12 show variants of the in Fig. 5 shown embodiment.
  • Fig. 11 some of the lower passages arranged above the top step air outlet are formed in pairs, with a single larger, wider lower passage being provided.
  • the ones in the Fig. 2 to 12 The positions of the passages shown are shown as examples. Each inlet can be arranged and oriented independently of the other inlets. The exemplary embodiments shown can in particular also be varied by varying the arrangement of the lower passages, or by omitting individual or all lower passages.
  • the arrangement and size of the passages in particular the passages arranged above the top step air outlet and/or the passages arranged in a height position between individual step air outlets, can be varied by changing to pairs of passages. Some or all of the passages arranged in the floor area can also be dispensed with, especially if these passages are moved further upwards to a height range above 500mm.
  • the number of stepped air outlets or height positions with steps is not limited to the variants shown.

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Description

  • 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 jeweiligen unabhängigen Anspruch.
  • 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 Gassammelraumtemperatur 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. 1m 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.
  • DE 735 312 C offenbart einen Verbundkoksofen mit Zwillingsheizzügen und Kreisstrombeheizung. AT 147 818 B offenbart eine Koksofenanlage mit Zwillingsbeheizung.
  • 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, wobei wenigstens zwei der Einlässe derart beidseitig der koppelnden Durchlässe näher zu den Läuferwänden angeordnet sind, 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 derart über einen Höhenabschnitt im Höhenbereich von 0 bis 1000mm zumindest annähernd parallel zueinander oder zumindest nebeneinander verlaufen und zu einer verzögerten Durchmischung in diesem Höhenabschnitt führen, dass erst oberhalb dieses Höhenabschnittes eine vollständige Durchmischung erfolgt. 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 1100°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 neu 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 der beanspruchten Erfindung 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 derart über einen gewissen Höhenabschnitt im Höhenbereich von 0 bis 1000mm zumindest annähernd parallel zueinander oder zumindest nebeneinander verlaufen und zu einer verzögerten Durchmischung in diesem Höhenabschnitt führen, dass erst oberhalb dieses Höhenabschnittes eine vollständigere Durchmischung erfolgt.
  • 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 Gassammelraum 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 0.01m2. 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 Umströmungskontur 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, wobei wenigstens zwei der Einlässe derart beidseitig der koppelnden Durchlässe näher zu den Läuferwänden angeordnet sind, dass der jeweilige Abgasrezirkulations-Durchlass zwischen den Einlässen seitlich umfasst bzw. abgegrenzt von den Einlässen angeordnet wird und sich im entsprechenden Heizkanal wenigstens drei oder vier aufwärts strömende Teilströme auf Strömungspfaden bilden, die zumindest derart über einen Höhenabschnitt im Höhenbereich von 0 bis 1000mm zumindest annähernd parallel zueinander oder zumindest nebeneinander verlaufen und zu einer verzögerten Durchmischung in diesem Höhenabschnitt führen, dass erst oberhalb dieses Höhenabschnittes eine vollständige Durchmischung erfolgt. 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 1mbar 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, CO2 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 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 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 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 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, 11.96% CO2, 2.37% H2O, mit einem unteren Heizwert von ca. 3349
    • Starkgas: 54.98% H2, 0.66% 02, 5.33% N2, 5.75% CO, 1.52% CO2, 26.66% CH4, 2.74% C2H6, 2.37% H2O, 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, 11.2% CO2, 1.9% CH4, 0.2% C2H6, 2.4% H2O, mit einem unteren Heizwert von ca. 4396
    • Abgemagertes Starkgas: 45.1% H2, 0.6% 02, 14.4% N2, 8.9% CO, 3.3% CO2, 22.2 CH4, 2.3% C2H6, 2.4% H2O, 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, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F, 1G, 1H
    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. 11, 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, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F, 1G, 1H 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 HöhenRichtung (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, (GasTemperatur 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 1F 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 G1b (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, 14.11, und der Gasstrom G6 kennzeichnet Abgase, die aus dem jeweiligen Heizkanal oder Heizzug ausgeleitet werden.
  • Unter Bezugnahme auf die Figuren 1D, 1E 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. 1D gezeigten Rezirkulations-Pfeile sind nur schematisch dargestellt und geben nicht exakt die Richtung des jeweiligen Gasstroms wieder.
  • Fig. 1G 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 11 und einem abgasführenden Heizkanal 12 aus. Die Heizkanäle definieren mit deren Innenwandung 11.1 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 14.11 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 14.11 herum verlaufen. Aus dem Stufenluftauslass 14.11 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 14.11 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 14.11 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 14.11 sind zwei weitere Paare von unteren Durchlässen (vier Durchlässe) in einer Breitenposition (x) zumindest annähernd entsprechend der Breitenposition der Stufengasauslässe 14.11 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 14.11 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, G1b umströmt wird. Der in Fig. 8C dargestellte Winkel α, 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 14.11 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 α, 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, G1b, G4, G5, G6. Das Steuern und Einstellen der Volumenströme ermöglicht eine Einflussnahme auf das Strömungs- und Temperaturprofil im jeweiligen Heizkanal 11, 12. Somit kann über die Volumenströme mittelbar auch die NOx-Emission eingestellt werden.
  • Die Fig. 11, 12 zeigen Varianten des in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiels. In Fig. 11 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, 11, 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
    11
    beflammter Heizkanal (Vertikalheizzug)
    11.1
    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
    14.11
    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
    G1b
    Mischgas
    G4
    Rezirkulationsabgas
    G5
    Stufengas bzw. Stufenluft aus Verbrennungsstufe
    G6
    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
    T1
    Düsensteintemperatur
    T2
    (Gas-)Temperatur im Heizzug/Heizkanal
    T3
    Temperatur in der Ofenkammer
    V(t)
    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 (15)

  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 (11) 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); wobei 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,
    dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Einlässe (16, 17, 18) derart beidseitig der koppelnden Durchlässe (14.2) näher zu den Läuferwänden (15) angeordnet sind, dass der jeweilige Abgasrezirkulations-Durchlass (14.2) zwischen den Einlässen (16, 17, 18) seitlich umfasst bzw. abgegrenzt von den Einlässen (16, 17, 18) angeordnet ist und sich im entsprechenden Heizkanal wenigstens drei oder vier aufwärts strömende Teilströme auf Strömungspfaden bilden, die zumindest derart über einen Höhenabschnitt im Höhenbereich von 0 bis 1000mm zumindest annähernd parallel zueinander oder zumindest nebeneinander verlaufen und zu einer verzögerten Durchmischung in diesem Höhenabschnitt führen, dass erst oberhalb dieses Höhenabschnittes eine vollständige Durchmischung erfolgt.
  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 0.01m2; und/oder wobei der Verbrennungsluft-Einlass (16) und/oder Mischgas-Einlass (17) und/oder Koksofengas-Einlass (18) in einem Winkel (α) 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 Kreisstrompfad (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 (14.11) 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 (14.11) oberhalb aller Abgasrezirkulations-Durchlässe (14.2) in den beflammten Heizkanal (11) 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 (14.11) oberhalb aller Abgasrezirkulations-Durchlässe in den beflammten Heizkanal (11) 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 (11, 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 Koksofenvorrichtung, insbesondere zum Betreiben einer Koksofenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem jeweiligen Zwillingsheizzug (13) der Koksofenvorrichtung mit einem beflammten Heizkanal (11) 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 (G1b), wobei 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, G1b) umfassend Mischgas (G1b) geführt wird, insbesondere beidseitig umgrenzt von den eingelassenen Gasen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Einlässe (16, 17, 18) derart beidseitig der koppelnden Durchlässe (14.2) näher zu den Läuferwänden (15) angeordnet sind, dass der jeweilige Abgasrezirkulations-Durchlass (14.2) zwischen den Einlässen (16, 17, 18) seitlich umfasst bzw. abgegrenzt von den Einlässen (16, 17, 18) angeordnet wird und sich im entsprechenden Heizkanal wenigstens drei oder vier aufwärts strömende Teilströme auf Strömungspfaden bilden, die zumindest derart über einen Höhenabschnitt im Höhenbereich von 0 bis 1000mm zumindest annähernd parallel zueinander oder zumindest nebeneinander verlaufen und zu einer verzögerten Durchmischung in diesem Höhenabschnitt führen, dass erst oberhalb dieses Höhenabschnittes eine vollständige Durchmischung erfolgt.
  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.
  11. 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 (11, 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 (11, 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 (14.11), 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 (11, 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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