Kokerei August Thyssen

Die Kokstrockenkühlung

Zum Inhalt:

Zur Geschichte der Kokstrockenkühlung

Planung und Lage der Kokstrockenkühlanlage

Die Löschwolke ist für ein jede Kokerei das Wahrzeichenhin schlechthin, denn sobald durch das Öffnen der Ofentüren der Kontakt zum Luftsauerstoff erfolgt, beginnt der Koks bei den noch herrschenden Temperaturen zu verbrennen. Um dies zu verhindern, muß er schnell gelöscht werden. Dies geschieht in den meisten Fällen durch das Naßlöschen (Koksnaßkühlung). Aber es gibt noch ein anderes Verfahren des Kokslöschens. Dieses Verfahren der Wärmerückgewinnung aus dem glühenden Koks wurde fast zwei Jahrzehnte erfolgreich auf der Kokerei AT angewandt: Das Kokstrockenkühlen (KTK).

Zur Geschichte der Kokstrockenkühlung

Die Entwicklung des Energiemarktes und verschärfte Umweltschutzbestimmungen trieben die Entwicklung der Kokstrockenkühlanlagen voran, aber über den wirtschaftlichen Aspekt dachte man schon Anfang der 20er Jahre nach, denn Dampf war ein teures Gut. Die Idee war, die Kokswärme für Kraftzwecke nutzbar zu machen, indem Kühlgase die Wärme aufnahmen und sie an einem Abhitzekessel mittels Wärmetauscher abgaben, um dann wieder in die Kühlanlage zurückgedrückt zu werden. Neben diesem Verfahren der Firma Sulzer, Winterthur, Schweiz, entwickelte die Firma Collin ein ähnliches Kokstrockenkühlverfahren, eine nähere Beschreibung hierzu findet man in "Kokerei- und Teerprodukte der Steinkohle" von Dr. A. Spilker, 1933, S. 68/69. Auch in den Kriegsjahren dachte man verstärkt darüber nach, die beim Naßlöschen verlorengehenden Energiemengen zu nutzen, aber die Stahlzuteilungen des damaligen "Amtes für deutsche Roh- und Werkstoffe", Berlin, ließen solche Vorhaben nicht zu, nur notwendige Reparatur- oder Erweiterungsmaßnahmen wurden genehmigt. In den folgenden Jahren verhinderte zumindest in der BRD die Energiepreisentwicklung ein weiteres Interesse an der Kokstrockenkühlung. Auch die Firma Sulzer stellte den Bau von KTK Mitte der 50er Jahre ein.

In den 60er Jahren begann man in der damaligen Sowjetunion das KTK-Verfahren nach Sulzer weiterzuentwickeln. Auslöser hierzu war die Eisbildung beim Naßlöschen aufgrund der widrigen Bedingungen des borealen Klimas, das Kusnezker Gebiet, und des winterkalten Steppenklimas, der Industrieregion des Donezbeckens war. In Deutschland waren sich zu diesem Zeitpunkt die Fachleute der Kokereiwirtschaft und die Fachleute der Anlagenhersteller noch völlig uneinige über die Wirtschaftlichkeit der KTK-Anlagen. So schreibt Prof. Dr. Grosskinsky in seinem "Handbuch des Kokereiwesens", Bd. I, 1955, S. 272, hierzu: " ... In vorhandenen Kokereien kann die trockene Kokskühlung kaum noch eingebaut werden, sie ließe sich deshalb nur allmählich im verlauf von Neubauten in die Tat umsetzen. Bei Letzteren besteht die Gefahr, daß die Pioniere auf diesem Gebiet ... mit erheblichen Verlusten rechnen müssen." Damals wie heute liegen die Kosten des Naßlöschverfahrens unter denen der Kokstrockenkühlung, doch diese zusätzlichen Ausgaben lassen sich durch den Erlös der Energieverwertung mindern, Voraussetzung hierbei ist allerdings, daß die betreffende Kokerei einen Käufer hat, der die Abnahme der anfallenden Dampfmenge über einen entsprechend langen Zeitraum zu einem vernünftigen Preis garantiert.

Alle Kokstrockenkühlanlagen wie das ältere Sulzer-Verfahren und deren weiterentwickelte Verfahren (Waagner-Biró-KTK-Verfahren, Giprokoks-Verfahren) arbeiten nach dem gleichen Prinzip der Kokstrockenkühlung im geschlossenen Kreislauf. Der glühende Koks wird in einen Kübel gedrückt, zum Kühlbehälter transportiert, mit einem Aufzug zur Koksübergabe gehoben und dort über ein Schleusensystem in den Kühlbehälter gegeben, der über ein Fassungsvermögen von mehreren Ofenchargen verfügt. Das Kühlgas (Kaltgas)strömt von unten mittels eines Verteilers in den Kühlbehälter ein, durchströmt die Kokscharge, erwärmt sich dabei und wird oben abgezogen (Heißgas). Der gekühlte Koks wird später in kleinen Mengen durch ein Schleusensystem am unteren Ende des Kühlbehälters ausgetragen. Nach Abscheiden des mitgerissenen Koksstaubes wird das heiße Gas zum Dampferzeuger weitergeleitet. Charakteristikum des Waagner-Biró-Verfahrens ist, daß ein teil des Kaltgases nicht in den Kübelbehälter geleitet wird, sondern direkt in den Grobabscheider. So kann durch Mischung des Kaltgases mit dem Heißgas eine gleichbleibende Gaseintrittstemperatur im Dampferzeuger erreicht werden. Kennzeichnend für das Giprokoks-Verfahren dagegen ist die Vorkammer mit einer Speicherkapazität von ~ 52 t/h, in der der glühende Koks nachentgast. Auf diese Weise soll eine gleichmäßigere Koksqualität erreicht werden und das Problem der ungleichmäßigen Dampftemperatur, -druck- und -menge beseitigt werden. Anfang der 70er Jahre interessierten sich erstmals japanische Fachleute für die in der ehemaligen Sowjetunion weiterentwickelte Kokstrockenkühlung. Sie erwarben die Lizenzen und optimierten die Anlage indem sie u.a. eine zusätzliche Entstaubung und bessere Gasführungssysteme hinzufügten und die Durchsatzleistung erhöhten. Auch Firmen wie Krupp-Koppes GmH, DIDIER Engieerig GmH, D. C. Otto GmbH oder Carl Stil besh&aul;ftgten sich mit der Weiterentwicklung des Kokstrockenkühlverfahrens, denen meist das Giprokoks-Verfahren zugrund lag.

Planung und Lage der Kokstrockenkühlanlage

Die erste für den regulären Dauerbetrieb konzipierte Kokstrockenkühlanlage in Deutschland wurde auf der Kokerei August Thyssen mit dem Anfahren der ersten Einheit im November 1983 in Betrieb gesetzt. Im Juni 1984 folgte die Inbetriebnahme der Kokstrockenkühleinheit 2. Die beiden KTK-Einheiten befanden sich direkt neben der Löschwagenbahn nordwestlich der Kokskohlentürme (KTKs) 1 und 2 und sind auf jeweils 70 t/h ausgelegt. Sie waren mit dem Kraftwerk Hamborn verbunden, so daß die Abnahme des Dampfes gesichert ist. Die Entscheidung für eine Kokstrockenkühlung fiel Ende der 70er Jahre, als der Neubau der Batterie 2 notwendig wurde und mit diesem Bau umfangreiche Umweltschutzmaßnahmen verbunden waren. Die Wahl fiel dabei auf das einzige großtechnisch bewährte Giprokoks-Verfahren, so daß sich das Unternehmen Thyssen-Engineering um den Erwerb der Lizenzen des Unternehmens Licensingtorg bemühte. Jedoch waren noch umfangreiche Neuerungen unter dem Aspekt Umweltschutz und Automation notwendig.

Foto-Gallerie Lightbox

Kreislaufgaszusammensetzung, Kokerei August Thyssen

Kohle- und Kokseigenschaftenb, Kokerei August Thyssen

KTK-Kübel am Kabel, Kokerei August Thyssen

Anlagenbeschreibung

Nach dem Verfahren der Kokerei AT wurde der Koks aus dem Ofen in den Kübel gedrückt, wobei der Kübel nicht verfahren wurde. Anschließend brachte eine Lok ihn zu einer der beiden Kühleinheiten. Hier wurde er mit einem Deckel verschlossen und mittels Kran zum Übergabetrichter gehoben. Dieser Übergabetrichter befand sich über der Vorkammer und war von dieser durch einen Beschickungsdeckel getrennt. Beim Öffnen des Schiebers senkte sich der Kübel weiter ab und zeitgleich öffneten sich die Bodenklappen des Kübels und der Koks fiel durch den Übergabetrichter in die Vorkammer, wobei das durch den Beschickungsvorgang verdrängte Gas hinter der Kühlkammer und vor dem Abhitzekessel dem Kreislaufgasstrom zugesetzt wurde. Ebenso automatisch schlossen sich die Beschickungsdeckel und Bodenklappen wieder. Über den Deckel war der Kokskübel als auch der Übergabetrichter an die Entstaubungsanlage angeschlossen. In der Vorkammer, die ein Fassungsvermögen von 250 m³ hatte, wurde die Kokstemperatur vergleichmäßigt und der Koks zwischengespeichert, so daß er gleichmäßig der Kühlkammer zugeführt werden konnte. Spezielle Meßeinrichtungen verhinderten ein Über- und Unterschreiten des Koksstandes. So wurde selbst bei Störungen im Ofenbetrieb die Dampferzeugung nicht in Mitleidenschaft gezogen. Der zylindrische Kühlschacht mit 350 m³ Volumen war im Innern mit Schamottesteinen ausgekleidet, spezielle Stahlplatten schützten die feuerfesten Steine am Boden des Schachtes.

Das Kreislaufgas

In dem gasdichten Kühlschacht wurde von unten das Kreislaufgas über einen Verteiler eingeleitet, so daß über Drosselklappen die Gasmenge reguliert wurde, um so eine gleichmäßige Gasverteilung in der zu kühlenden Koksschüttung zu gewährleisten. Das Gas durchströmte im Gegenstromprinzip die Koksschüttung und erwärmte sich, wobei die gesamte Enthalpie des Heißgases sich aus der Wärme des glühenden Kokses, der restlichen thermischen Energie des Kaltgases sowie der Wärme, die durch die exothermen Reaktionen der Nachentgasung freigesetzt wurde, zusammensetzt. Ein kleiner teil der gesamten Enthalpie dient dabei als Reaktionswärme, da bedingt durch die hohe Temperatur und Mangel an Sauerstoff, Kohlendioxid mit Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid reagiert, wobei sich ein Gleichgewicht einstellt, das Boudouard-Gleichgewicht.

Details 






Die Enthalpie ist ein Maß für die Energie eines Systems, also einer räumliche Anordnung von Elementen, die eine Einheit bilden. Für die praktische Chemie spielt meist nur die Änderung der Enthalpie Δ_RH, die Wärmeänderung der Stoffe bei chemischen Reaktionen, eine Rolle. Der Wert von Δ_RH ist für exotherme Reaktionen negativ, da Wärme freigesetzt wird und das System somit Wärme abgibt. Für endotherme Vorgänge ist der Wert demgemäß positiv. Das tiefgestellte "R" bedeutet, daß es sich dabei um eine Enthalpieänderung bei einer chemischen Reaktion handelt.

Das Boudouard-Gleichgewicht ist das nach O. L. Boudouard benannte Gleichgewicht zwischen Kohlendioxid (CO₂) und Kohlenmonoxid (CO), das sich bei der Umsetzung von Kohlendioxid mit glühendem Kohlenstoff einstellt. 

CO₂ + C ↔ 2 CO | 	Δ H = +41,2 kcal

Da diese Reaktion endotherm verläuft, liegt dieses Gleichgewicht bei höheren Temperaturen mehr auf der rechten Seite, der Produktseite. Dies gilt ebenso für den Wassergasprozeß, ab 810 °C verschiebt sich das Gleichgewicht immer stärker nach links.

H₂O + C ↔ H₂ + CO | 	Δ H = +25,4 kcal

Weiterhin kann Kohlenmonoxid mit noch vorhandenem Wasserdampf reagieren:

CO + H₂O ↔ CO₂ + H₂ | 	Δ H = +9,86 kcal

Hohe Temperaturen verschieben das Gleichgewicht aufgrund der endothermen Reaktion auf die Produktseite (CO), eine Erhöhung des Drucks würde es dagegen auf die Seite der Ausgangsstoffe verschieben, da die Anzahl der gasförmigen Moleküle dadurch abnimmt.

Auf der Kokerei August Thyssen wurde die Verfahrensweise "mit Luftzufuhr" zum Kreislaufgas angewandt, eine Berührung mit dem glühenden Koks war hierbei ausgeschlossen. Die Luft wurde in den Gassammelkanal hinter dem Kühlschacht dem Heißgas zugesetzt, so daß H2 und CO zu Wasser und Kohlendioxid oxidieren, wobei der exotherme Charakter dieser Reaktionen zu einer leichten Erhöhung der Gastemperatur führt. Auf diese Weise wird durch kontrolliertes Zusetzen von Luft die Gaszusammensetzung geregelt. Im Bedarfsfall wird dem Kreislaufgas Stickstoff zugesetzt. Nach Abzug des Verlustes der im Koksstaub verblieben Wärme und der Oberflächenwärmeverluste liegt die Energieeinnahme pro t Koks bei etwa 2000 MJ.

Der Koksaustrag

Der Koks verließ mit ~ 7 % der Anfangsenthalpie den Kühlschacht über zwei Schleusen. Diese zwei Schleusen waren unter dem Kühlschacht hintereinandergeschaltet angeordnet und durch Austragsklappen voneinander getrennt, die sich im Wechsel öffnen. Nachdem die zweite Schleuse geleert wurde, wurde der Inhalt der ersten Schleuse in die zweite Schleuse weitergeleitet, so daß die erste wieder mit Koks aus dem Kühlschacht beschickt werden konnte, wobei eine Schleusencharge etwa 2,3 t Koks betrug. Dieser Vorgang wiederholte sich etwa 30 mal in der Stunde. Die Regulierung der Austragsmenge erfolgte durch Änderung der Zeitabstände im Austragszyklus. Um Kühlgasverluste zu vermeiden wurde permanent Stickstoff mit Überdruck in die erste Schleuse geleitet. Der Koks der zweiten Schleuse gelangte nun zu der Austragsrinne und von hier über ein Transportband zur Sieberei. Die Temperatur des trockengekühlten Kokses betrug etwa 137 °C.

Der Abhitzekessel

Das Heißgas wurde oberhalb der Kühlkammer am Übergang zur Vorkammer durch Abzugsschlitze abgezogen und zu dem Abhitzekessel, der sich neben der Kühleinheit befand, weitergeleitet. Dieser Zwei-Zug-Abhitzekessel war mit natürlichem Wasserumlauf ausgestattet, so daß keine Umwälzpumpen nötig waren. Das Gas durchströmte zuerst den Leerzug, bevor es im zweiten Zug seine Wärme an den Nachschaltheizflächen abgab. Die Wärme des Heißgases (Primärkreislauf) wurde an das Speisewasser (Sekundärkreislauf) abgegeben: Es überhitzte zunächst den Naßdampf zu Heißdampf, bevor es den Verdampfer und die Vorwärmer passierte. Das Speisewasser, das mit 113 °C in den Kessel eintrat, wurde erst im Gegenstrom-, dann im Gleichstromprinzip vorgewärmt bevor es zur Obertrommel gelangte. Novum bei diesem Abhitzekessel war die integrierte Entstaubung. Auf diese Weise konnte der Verbindungskanal zwischen Kühlkammer und Abhitzekessel stark verkürzt und so Wärmeverluste vermieden werden. Im ersten Zug des Kessels, der eine besondere Geometrie aufwies, um die Strömungsgeschwindigkeit des Gases zu reduzieren und um einen hohen Staubabscheidegrad zu erreichen, wurden 36,1 % und im zweiten Zug 17,4 % des Grobstaubes ausgetragen. Der Wirkungsgrad des Abhitzekessels betrug 85 %, der erzeugte Dampf 60 bar bei 455 °C und die Dampfausbeute 535 kg pro t Koks.

Die Koksqualität

Neben dem Wärmerückgewinnungsvorteil verbesserte sich auch die Koksqualität. Besonders auffällig war natürlich der Feuchtegehalt: Trockengekühlter Koks brachte 50 kg weniger Wasser je Tonne Koks in den Hochofen. Dies hatte eine Steigerung der Produktivität beim Hochofenprozeß zur Folge. Auch die Koksfestigkeit des trockengekühlten Kokses lag über den Werten vom konventionell gelöschten Koks. Weiterhin beeinflußt die Nachentgasung eine unterschiedliche Zusammensetzung der flüchtigen Bestandteile. Jedoch war der trockengekühlter Koks weniger grobstückiger. Mit 56 mm mittleren Durchmesser lag er deutlich unter dem des naßgelöschte von 80 mm.

Die Umweltschutzvorkehrungen

Das Kaltgas gelangte mit einer Kesselaustrittstemperatur von 133 °C zu zwei Zyklonen, welche 39,9 % des Staubeintrags abschieden, so daß ein Wirkungsgrad von 99,98 % erreicht. Anschließend wurde das Kreislaufgas zum Kühlschacht zurückgeleitet, wobei überschüssige Gasmengen zum Unterfeuerungsgas beigegeben wurden. Zu den weiteren Umweltschutzmaßnahmen zählte die koksseitige Entstaubung bestehend aus den mobilen Staubfanghauben, der Absaugung des Kokskübels sowie des Übergabetrichters, der Vorkammer, des Koksaustrags und des Kaskadensiebs an der Austragsschleuse als auch die Absaugevorrichtungen der Koksübergabestellen. Bis auf die Haubenwagen, die an der Naßentstaubung angeschlossen waren, waren die anderen über eine zentrale Absaugeanlage mit der stationären Entstaubungsanlage verbunden. Diese Sekundärgase wurden in 4 Kammern mit je 320 Filterschläuche gereinigt. Die abgeschiedene Staubmenge betrug etwa 551 kg Staub in der Stunde. Ihr war eine luftgekühlte Funkenkammer vorgeschaltet. Der Staub wurde in einem Zwischenbunker gesammelt und anschließend mit dem Staub der Zyklone zu einem Mischer gefördert, dort mit Wasser befeuchtet und zur Sinteranlage weitergeleitet wurde. Sämtliche Betriebsvorgänge der KTK-Anlage wurden von einer zentralen Warte überwacht und gesteuert. Alle Daten flossen hier zusammen und wurden hier ausgewertet. Doppelt ausgelegte Rechnerstationen boten eine optimale Betriebssicherheit.

Die Kokstrockenkühlanlage der Kokerei August Thyssen hatte sich seit Inbetriebsetzung im Jahr 1983 - nach Ausführung einiger Änderungs- und Verbesserungsarbeiten der Betriebsabläufe - bis zur ihrer Stillegung im Jahre 2002 in jeder Hinsicht bewährt und so ihre Zuverlässigkeit unter Beweis gestellt.

Quellennachweis:

Dr.-Ing. Bernhard Bussmann, Dr.-Ing. Klaus Hofherr, Dr.-Ing. Jürgen A. Philipp und Dr. mont. Fritz Reinitzhuber: "Die Kokstrockenkühlanlage der Kokerei August Thyssen - Umweltschutz, Energierückgewinnung, Produktverbesserung", Stahl und Eisen 105 (1985), S. 19/28
Dr.-Ing. Bernhard Bussmann, Dr.-Ing. Klaus Hofherr, Dr.-Ing. Jürgen A. Philipp und Dr. mont. Fritz Reinitzhuber: "Neuere Ergebnisse beim Betrieb der Kokstrockenkühlanlagen der Kokerei August Thyssen", HdT Vortragsveröffentlichung H. 497, S. 10/14
Dr. rer. Nat. H. Bertling, Dipl.-Ing. H. Baer: "Möglichkeiten der Verwertung zurückgewonnener Energie aus Kokstrockenkühlanlagen", Glückauf, 119 (1983), Nr. 24 S. 1203/09
Dr. rer. Nat. H. Bertling, Dipl.-Ing. H. Baer: "Weiterentwicklung von Verfahren zur Kokstrockenkühlung", Glückauf, 119 (1983), Nr 13 S. 631/36#
Dr. rer. Nat. H. Bertling, Dr.-Ing. E. Falk: "Der Einfluß der Kokstrockenkühlung auf die Qualitätsmerkmale von Koks", Glückauf-Forschungshefte 43 (1982) H. 1, S. 23/28

© Michaela Barz-Berg

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