WO2010112100A1 - Verkokungsanlage mit abgasrückführung - Google Patents

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Ronald Kim
Rainer Worberg
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    • F23C9/003—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber for pulverulent fuel

Definitions

  • the invention relates to a coking plant according to the non-recovery process or the heat recovery process for the production of coke from coal.
  • High throughput is of particular importance for the economy of a coking plant according to the non-recovery method or the heat recovery method, collectively referred to below as NR / HR. This is mainly because in this technology due to the slight influence of the combustion gas release over the conventional horizontal chamber technology always a prolonged operating time, that is to say a lower cost-effectiveness. The speed of this
  • Coking technology can only be influenced by uniformly feeding the air into the process in several stages, thus optimizing combustion.
  • FIG. 1 An example of the refractory structure in the lower furnace is presented in the plan view in Fig. 1.
  • the raw gas / waste gas mixture formed in the combustion chamber of the top furnace is fed to the bottom channels in the bottom furnace in 2 to 20 downcomer channels per furnace. There it is completely burned with the addition of combustion air.
  • the heat generated there is the coking of the coal charge from below, which ensures a shorter operating time and high performance of the furnace.
  • this so-called secondary air is sucked through the openings on the front sides, which is offered via a branched vertical channel system the actual Sohlkanal2020 used for secondary combustion of combustible gases. This creates a variety of short individual flames in the Sohlkanälen.
  • the procedural measure of the exhaust gas recirculation in the combustion chambers of the NR / HR furnace is proposed.
  • an internal exhaust gas recirculation in the bottom channel system of the lower furnace can be used.
  • a partial exhaust gas stream is branched off immediately before its final evacuation from the furnace in the Sohlkanal and returned via a channel system or one or more openings upstream in the Sohlkanal.
  • the drive for the exhaust gas recirculation forms the pressure difference between the upstream and the downstream Sohlkanal, which causes a return to the upstream channel.
  • the pressure difference is explained by the higher exhaust temperature and thus the lower density in the upstream Sohlkanal.
  • This measure causes a delay of the secondary combustion, extends the individual flames in the Sohlkanal and promotes the equalization of Ausbrand characterizing and the heat release in the lower furnace.
  • the partial pressure of oxygen in the Sohlkanal2020 the furnace is lowered, resulting in a reduction of the thermally formed NOx exhaust gas portion results. This is due to that due to the addition of exhaust gas, the temperature of the media and thus the thermal NO formation in the bottom channel is reduced.
  • exhaust gas only in the further flow, i. to be taken externally from the channel system of the furnace and returned via a blower of the furnace chamber, the downcomers or the Sohlkanalsystem in the lower furnace.
  • exhaust gas only in the further flow, i. to be taken externally from the channel system of the furnace and returned via a blower of the furnace chamber, the downcomers or the Sohlkanalsystem in the lower furnace.
  • further components which are harmful to the environment or to the process can be withdrawn from the exhaust gas before they are returned to the furnace.
  • FIGS. 2a and 2b show the flow guides and the formation of flames in the FIGS
  • FIG. 4 shows a further plan view of the sole system of 2 adjacent coke ovens.
  • FIG. 5 shows a further front view of the sole system of 2 coke ovens adjacent to one another
  • Fig. 2a shows the flow guides and the flame formation in the Sohlkanälen according to the prior art.
  • the raw gas-exhaust gas mixture of the upper furnace from the downcomers 5 and burns in the flames 11 and 12 with the air from the Sekundär Kunststoffaustritten 13 in the Sohlkanälen 8 and 9.
  • single-circuit flow openings 10 are provided which a Allow backflow of the exhaust gas, which improves the geometry of the flames 11 and 12 and set the advantages of the invention in terms of pollutant formation.
  • FIG. 3 shows an example of a sole-channel geometry with a single opening 10 for generating an internal exhaust gas recirculation in the lower furnace.
  • FIG. 4 shows an example of a sole-channel geometry with two individual openings 10 for generating an internal exhaust gas recirculation in the lower furnace.
  • FIG. 5 shows two examples of external exhaust gas recirculation possibilities, in which blowers 14 each provide for the return.

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Vergleichmäßigung der Ausbrandcharakteristik und zur Reduzierung der thermischen NOx-Emissionen einer Verkokungsanlage nach dem Non-Recovery-Verfahren oder dem Heat-Recovery-Verfahren mit einer Vielzahl von Öfen, jeweils aufweisend einen von Türen und Seitenwänden begrenzten Ofenraum für eine Kohleschüttung oder einen kompaktierten Kohlekuchen und einen über ihr befindlichen Leerraum, Abzugsvorrichtungen für das Abgas aus dem Leerraum, Zuführeinrichtungen von Frischluft in den Leerraum, ferner ein System von Sohlkanälen zum Führen von Abgas oder sekundärer Zufuhrluft, welches wenigstens teilweise in den Boden unter dem Ofenraum integriert ist, wobei im Ofen erzeugtes Abgas dem Verbrennungsprozess des Ofens über Öffnungen oder Kanäle teilweise in den Ofenraum zurückgeführt wird.

Description

Verkokungsanlage mit Abgasrückführung
Die Erfindung betrifft eine Verkokungsanlage nach dem Non-Recovery- Verfahren oder dem Heat-Recovery-Verfahren zur Herstellung von Koks aus Kohle. Eine hohe Durchsatzleistung ist für die Wirtschaftlichkeit einer Verkokungsanlage nach dem Non-Recovery-Verfahren oder dem Heat-Recovery-Verfahren, zusammen im folgenden als NR / HR bezeichnet, von besonderer Bedeutung. Dies vor allem deshalb, weil bei dieser Technologie infolge der geringfügigen Beeinflussbarkeit der Verbrennungsgasfreisetzung gegenüber der konventionellen Horizontalkammertechnik stets eine verlängerte Betriebszeit, sprich eine geringere Wirtschaftlichkeit anzusetzen ist. Die Geschwindigkeit dieser
Verkokungstechnologie kann nur dadurch beeinflusst werden, indem die Luft dem Prozess in mehreren Stufen gleichmäßig zugeführt und damit die Verbrennung optimiert wird.
In den letzten Jahren wurde daher eine Vielzahl von Verbesserungsvorschlägen unterbreitet, um die Primär- und Sekundärluftzuführung im Ober- und Unterofen zu vergleichmässigen und damit eine Flächenbeheizung der Kohle- / Kokscharge von oben und unten zu gewährleisten. Dadurch kann die Betriebszeit, die für die vollständige Verkokung der Kohlecharge erforderlich ist, verkürzt und die Wirtschaftlichkeit erhöht werden. Trotzdem stellen die gegenwärtigen Lösungen nur eine Annäherung an eine Flächenbeheizung dar, da Primärluft im Oberofen und Sekundärluft im Unterofen stets nur punktuell über die Ofengrundfläche zugeführt werden können.
Ein Beispiel für den Feuerfestaufbau im Unterofen ist in der Draufsicht in Fig. 1 vorgestellt. Das in der Brennkammer des Oberofens gebildete Rohgas-/ Abgasgemisch wird den Sohlkanälen im Unterofen in 2 bis 20 Downcomerkanälen je Ofen zugeführt. Dort wird es unter Zugabe von Verbrennungsluft vollständig verbrannt. Die dort erzeugte Wärme dient der Verkokung der Kohlecharge von unten, wodurch eine verkürzte Betriebszeit und eine hohe Leistung des Ofens gewährleistet. Im Unterofen wird hierzu über die Öffnungen an den Stirnseiten sogenannte Sekundärluft eingesaugt, die über ein verzweigtes Vertikalkanalsystem den eigentlichen Sohlkanalheizzügen zur Sekundärverbrennung der brennbaren Gase angeboten wird. Dabei entsteht in den Sohlkanälen eine Vielzahl von kurzen Einzelflammen. Die in diesen Sohlkanalheizzügen erzeugte Wärme wird dann vertikal über Wärmeleitvorgänge durch die Ofensohle der Kohlecharge zur Verkokung derselben zugeführt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass der Mehrkanalaufbau des Unterofens kaum mehr die Möglichkeit bietet, die Zahl der Sekundärluftstufen zu erhöhen und somit die Effizienz der Sekundärverbrennung zu steigern. Eine solche Lösung zöge auch einen unvertretbar hohen verfahrenstechnischen Mehraufwand an Kalibriervorgängen nach sich. Darüber hinaus ist es im Sinne eines umweltfreundlichen Ofenbetriebes erforderlich, die Stickoxid (NOx) - Emissionen der Industrieanlage so weit wie möglich zu reduzieren. Stickstoffoxide entstehen bei Verbrennungsvorgängen fossiler Brennstoffe wie z.B. Kohle in der Flamme und der umgebenden Hochtemperaturzone durch teilweise Oxidation des molekularen Stickstoffs der Verbrennungsluft sowie des im Brennstoff chemisch gebundenen Stickstoffs. Thermisch gebildetes NO als NOx - Hauptbestandteil entsteht aus molekularem Stickstoff N2 in der Flamme durch Oxidation mit molekularem Sauerstoff bei Temperaturen >1300 0C. Da im NR / HR - Ofen Temperaturen bis ca. 145O0C auftreten können, sind technische Anstrengungen von Nöten, um diese thermische NO - Bildung und damit die Umweltbelastung zu reduzieren. In der folgenden Abbildung sind zusammenfassend die wichtigsten theoretischen Möglichkeiten der NO - Minderung angeführt:
• niedrige Gesamtluftzahl
• Luftstufung • NH3 - Eindüsung
• Dampf-Λ/Vassereindüsung
• Abgasrezirkulation
Um die beiden dargestellten Problematiken effizient und gemeinsam zu lösen, wird die verfahrenstechnische Maßnahme der Abgasrezirkulation in den Verbrennungskammern des NR / HR-Ofens vorgeschlagen. Dabei kann zum Einen eine interne Abgasrezirkulation im Sohlkanalsystem des Unterofen zur Anwendung kommen. Dabei wird ein Abgasteilstrom unmittelbar vor seiner endgültigen Evakuierung aus dem Ofen im Sohlkanal abgezweigt und über ein Kanalsystem oder eine oder mehrere Öffnungen stromaufwärts in den Sohlkanal zurückgeführt. Den Antrieb für die Abgasrezirkulation bildet der Druckunterschied zwischen dem stromaufwärts und dem stromabwärts befindlichen Sohlkanal, der eine Rückführung in den stromaufwärts befindlichen Kanal bewirkt. Der Druckunterschied erklärt sich aus der höheren Abgastemperatur und damit der geringeren Dichte im stromaufwärts gelegenen Sohlkanal.
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Diese Maßnahme bewirkt eine Verzögerung der Sekundärverbrennung, verlängert die Einzelflammen im Sohlkanal und fördert die Vergleichmäßigung der Ausbrandcharakteristik sowie die Wärmeentbindung im Unterofen. Darüber hinaus wird durch diese Maßnahme der Sauerstoffpartialdruck in den Sohlkanalheizzügen des Unterofens abgesenkt, woraus eine Reduzierung des thermisch gebildeten NOx-Abgasanteils resultiert. Dies ist darin begründet, dass infolge der Abgasbeimischung die Temperatur der Medien und damit die thermische NO-Bildung im Sohlkanal verringert wird.
Es ist aber auch möglich, dass Abgas erst im weiteren Strömungsverlauf, d.h. extern dem Kanalsystem des Ofens zu entnehmen und über ein Gebläse der Ofenkammer, den Downcomern oder dem Sohlkanalsystem im Unterofen zurückzuführen. In einer zwischengeschalteten verfahrenstechnischen Aufbereitungsstufe können dem Abgas weitere umweit- oder verfahrensbeeinträchtigende Bestandteile entzogen werden, bevor sie in den Ofen zurückgeführt werden.
Die Erfindung löst die Aufgabe mittels der in den Ansprüchen bezeichneten Merkmale. Sie wird in den Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 5 näher erläutert.
Fig. 1 zeigt das Sohlsystem von 2 nebeneinander angeodneten Koksöfen sowie die Gasströmungen Fig. 2a und Fig 2 b zeigen die Strömungsführungen und die Flammenbildung in den
Sohlkanälen nach dem Stand der Technik und im Vergleich dazu entsprechend der Erfindung. Fig. 3 zeigt eine weitere Draufsicht auf das Sohlsystem von 2 nebeneinander angeodneten Koksöfen Fig. 4 zeigt eine weitere Draufsicht auf das Sohlsystem von 2 nebeneinander angeodneten Koksöfen Fig. 5 zeigt eine weitere Frontansicht auf das Sohlsystem von 2 nebeneinander angeodneten Koksöfen
Fig 1 zeigt in Draufsicht und Frontansicht 2 nebeneinander angeordnete NR /HR-Öfen 1 und 2, Sekundärlufteinlässen 3, Sekundärluftauslässen 4 und Downcomern 5. Weiterhin sind die Sekundärluftkanäle 6, die im Boden integriert sind, zu sehen, sowie der Abgaskanal 7 sowie die inneren Sohlkanäle 8 und die äußeren Sohlkanäle 9.
Fig. 2a zeigt zeigt die Strömungsführungen und die Flammenbildung in den Sohlkanälen nach dem Stand der Technik. Hierbei kommt das Rohgas-Abgasgemisch des Oberofens aus den Downcomern 5 und verbrennt in den Flammen 11 und 12 mit der Luft aus den Sekundärluftaustritten 13 in den Sohlkanälen 8 und 9.
Im Vergleich dazu sind im erfindungsgemäßen Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung, wie in Fig. 2 b gezeigt, Einzelkreisstromöffnungen 10 vorgesehen, die ein Rückfließen des Abgases ermöglichen, wodurch sich die Geometrie der Flammen 11 und 12 verbessert und die erfindungsgemäßen Vorteile hinsichtlich der Schadstoffbildung einstellen.
In Fig. 3 ist ein Beispiel für eine Sohlkanalgeometrie mit einer Einzelöffnung 10 zur Erzeugung einer internen Abgasrezirkulation im Unterofen zu sehen.
In Fig. 4 ist ein Beispiel für eine Sohlkanalgeometrie mit zwei Einzelöffnungen 10 zur Erzeugung einer internen Abgasrezirkulation im Unterofen zu sehen.
In Fig. 5 sind 2 Beispiele für externe Abgasrückführungsmöglichkeiten zu sehen, bei denen Gebläse 14 jeweils für die Rückführung sorgen.

Claims

Verkokungsanlage mit AbgasrückführungAnsprüche
1. Verfahren zur Vergleichmäßigung der Ausbrandcharakteristik und zur Reduzierung der thermischen NOx-Emissionen einer Verkokungsanlage nach dem Non-Recovery- Verfahren oder dem Heat-Recovery-Verfahren mit einer Vielzahl von Öfen, jeweils aufweisend einen von Türen und Seitenwänden begrenzten Ofenraum für eine Kohleschüttung oder einen kompaktierten Kohlekuchen und einen über ihr befindlichen Leerraum, Abzugsvorrichtungen für das Abgas aus dem Leerraum, Zuführeinrichtungen von Frischluft in den Leerraum, ferner ein System von Sohlkanälen zum Führen von Abgas oder sekundärer Zufuhrluft, welches wenigstens teilweise in den Boden unter dem Ofenraum integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Ofen erzeugtes Abgas dem Verbrennungsprozess des Ofens über Öffnungen oder Kanäle teilweise in den Ofenraum zurückgeführt wird
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung des im Ofen erzeugten und aus der Verbrennungskammer herausgeführten Abgases innerhalb des Ofens erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung des im Ofen erzeugten und aus der Verkokungskammer herausgeführten Abgases über eine einzige Öffnung in der Sohlkanaltrennwand zwischen den Sohlkanälen erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung des im Ofen erzeugten und aus der Verkokungskammer herausgeführten Abgases über mehrere Öffnungen in der Sohlkanaltrennwand zwischen den Sohlkanälen erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung des im Ofen erzeugten und aus der Verkokungskammer herausgeführten Abgases über eine oder mehrere Öffnungen in der Sohlkanaltrennwand zwischen den Sohlkanälen erfolgt und die Kalibrierung der Menge über Schiebersteine, Düsen, Venturis erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung des im Ofen erzeugten und aus der Verkokungskammer herausgeführten Abgases außerhalb des Ofens erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung des im Ofen erzeugten und aus der Verkokungskammer herausgeführten Abgases mittels eines Gebläses in die stromaufwärts angeordneten Sohlkanäle erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung des im Ofen erzeugten und aus der Verkokungskammer herausgeführten Abgases mittels eines Gebläses in die Downcomer erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung des im Ofen erzeugten und aus der Verkokungskammer herausgeführten Abgases mittels eines Gebläses in die Primärluftöffnungen der Ofentür erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung des im Ofen erzeugten und aus der Verkokungskammer herausgeführten Abgases mittels eines Gebläses in die Primärluftöffnungen der Ofendecke erfolgt.
1 1. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Verkürzung der Betriebszeit eines Ofens.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 4, aufweisend einen von Türen und Seitenwänden begrenzten Ofenraum für eine Kohleschüttung oder einen kompaktierten Kohlekuchen und einen über ihr befindlichen Leerraum, Abzugsvorrichtungen für das Abgas aus dem Leerraum, Zuführeinrichtungen von Frischluft in den Leerraum, ferner ein System von Sohlkanälen zum Führen von Abgas oder Zuführluft, welches wenigstens teilweise in den Boden unter dem Ofenraum integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Öffnungen in der Sohlkanaltrennwand zwischen den Sohlkanälen vorgesehen werden.
13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, aufweisend einen von Türen und Seitenwänden begrenzten Ofenraum für eine Kohleschüttung oder einen kompaktierten Kohlekuchen und einen über ihr befindlichen Leerraum, Abzugsvorrichtungen für das Abgas aus dem Leerraum, Zuführeinrichtungen von Frischluft in den Leerraum, ferner ein System von Sohlkanälen zum Führen von Abgas oder Zufuhrluft, welches wenigstens teilweise in den Boden unter dem Ofenraum integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Offnungen in der Sohlkanaltrennwand zwischen den Sohlkanalen mittels Schiebersteinen verschlossen oder die Abgasmenge über geeignete Schiebersteine, Düsen oder Ventuπs kalibriert werden können
Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 bis 10, aufweisend einen von Türen und Seltenwanden begrenzten Ofenraum für eine Kohteschuttung oder einen kompaktierten Kohlekuchen und einen über ihr befindlichen Leerraum, Abzugsvorrichtungen für das Abgas aus dem Leerraum, Zufuhreinrichtungen von Frischluft in den Leerraum, ferner ein System von Sohlkanalen zum Fuhren von Abgas oder Zufuhrluft, welches wenigstens teilweise in den Boden unter dem Ofenraum integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Geblase vorgesehen und so angeschlossen wird, dass aus der Verkokungskammer herausgeführten Abgase in die stromaufwärts angeordneten Sohlkanale, in die Downcomer, oder in die Pπmarluftoffnungen der Ofentür oder der Ofendecke gefordert werden kann
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