Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur trockenen Kokskühlung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 3.
Die trockene Kokskühlung ist ein seit vielen Jahrzehnten bekanntes Verfahren, demgemäß der aus dem Koksofen ausgestoßene, glühende Koks in einen Kühlschacht gefüllt wird, in dem er durch aufströmendes Inertgas abgekühlt wird. Folglich arbeitet ein derartiger Schachtkühler nach dem Prinzip eines bewegten Festbettes in Verbindung mit dem direkten Wärmeaustausch zwischen Feststoff und Gas im Gegenstrom. Als Kühlgase sind bis vor kurzem ausschließlich Inertgase empfohlen worden. Das den Kokskühler verlassende heiße Inertgas wurde gewöhnlich zur Dampferzeugung in einem Röhrenkessel genutzt.
Ferner ging man bis vor kurzem davon aus, daß sich die Kokstrockenkühlung und die Trocknung und Vorerhitzung von Kokskohle nicht im direkten Wärmeaustausch zwischen der Kokskohle und dem Koks mit ein und demselben Kreislaufmedium betreiben läßt, weil die Brüden aus einer Trocknungs- und Vorerhitzungsanlage bei der Kokskühlung unerwünscht hohe Abbrandverluste aufgrund der Wassergasreaktion verursachen würden. All diesen Kokstrockenkühlungsverfahren haftete der Nachteil eines hohen baulichen Aufwandes und/oder eines schlechten Wärmeüberganges auf der Wärmeverbraucherseite an.
Das Problem, die fühlbare Wärme des Kühlgases direkt an einen Wärmeverbraucher abgeben zu können, ohne das der zu kühlende Koks dabei wesentlich mehr abbrennt, als bei den bekannten Kokstrockenkühlungsverfahren, ist mit einem gattungsgemäßen Verfahren und einer entsprechenden Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst und in der DE-OS 32 03 732 beschrieben worden. Bei diesem bekannten Verfahren erfolgte die Kokskühlung in den beiden Kühlstufen in voneinander getrennten Kühlgaskreisläufen im Gegenstrom zum Koks, wobei ausschließlich das Kühlgas der zweiten Stufe Wasserdampf enthielt, während das Kühlgas in der ersten Kühlstufe ein inertes Kühlgas war. Hierdurch wurde eine Beschränkung des Koksabbrandes auf 1 Gew.-% und weniger erreicht. Das Waserdampf enthaltende Kreislaufkühlgas der zweiten Kühlstufe konnte zur thermischen Vorbehandlung der Kokskohle verwendet werden, die im direkten Kontakt zwischen der Kokskohle und dem Kühlgas erfolgte, und als Wasserdampf enthaltendes Kühlgas konnten die bei der thermischen Vorbehandlung der Kokskohle anfallenden Brüden verwendet werden. Bei diesem bekannten Verfahren tritt allerdings das Problem der Trennung beider Kühlgaskreisläufe auf, welche den Einbau einer Koksschleuse in den Kühlbehälter zwischen die beiden Kühlstufen erforderlich macht; insbesondere war auf die Wasserdampffreiheit des inerten Kühlgases in der ersten Kühlstufe zu achten. Schließlich mußte das inerte Kühlgas der ersten Kühlstufe nach Verlassen des Kühlbehälters seinerseits wieder gekühlt werden ; dies konnte nur in einem indirekten Wärmeaustauschverfahren mit entsprechend ungünstigem Wirkungsgrad erfolgen.
Bei einem anderen, aus der DE-PS 29 52 065 bekannten Kokstrockenkühlungsverfahren konnte eine fast vollständige Rückgewinnung der fühlbaren Wärme des glühenden Kokses dadurch erreicht werden, daß in einem einstufigen Kühlbehälter ein inertes Kühlgas im Gegenstrom durch die gesamte Koksschüttung geführt wurde und zusätzlich wassergekühlte Mantelflächen und Einbauteile in dem Kühlbehälter verwendet wurden. Hierdurch konnte zwar ebenfalls ein Abbrennen des Kokses weitgehend vermieden und der im Kreislaufgas mitgeführte Staubanteil reduziert werden, jedoch ergab sich wiederum der Nachteil der relativ ungünstigen Wärmenutzung des inerten Kühlgas. Dieses Verfahren arbeitet also zwingend mit einem Inertgas und in jedem Falle einstufig. Die Aufteilung der Wärmeübertragung in einen direkt und in einen indirekt übertragenden Anteil ist mit der Konstruktion des Kühlschachtes festgelegt. Bedingt dadurch, daß das Umwälzgas auch durch die obersten (heißesten) Lagen (Zonen) der Koksschüttung strömt, muß es ein Inertgas und wasserdampffrei sein, um einen Koksabbrand durch Sauerstoff und (oder) Wassergasreaktion zu verhindern. Mit dieser zwingenden Einschränkung eignet sich dieses Verfahren nicht zur direkten Kopplung mit der Kohlevorerhitzung, denn das erhitzte Umwälzgas kann nicht in beispielsweise einem Flugstromapparat verwendet und nach Wärmeabgabe zusammen mit der aufgenommenen Kohlenfeuchte wieder dem Kokstrockenkühlschacht zugeführt werden.
Aus der DE-A1-2 435 500 ist ein Verfahren zur trockenen Kokskühlung mittels Kühlgasen und zur Vorerhitzung von Kokskohle bekannt, bei dem der heiße Koks in einem als Vorkammer dienenden Eintragsteil über die als Dampferzeuger ausgebildeten Wände zu einem gewissen Teil gekühlt wird, bevor der Koks in der eigentlichen Kokskühlkammer mittels Inertgas, vorzugsweise unter Zuhilfsnahme weiterer Dampferzeuger, dem eigentlichen Kühlschritt unterzogen wird. Durch den Dampferzeuger im Eintragsteil wird eine Ausmauerung der Wände mit feuerfesten Material eingespart.
Das im Eintragsteil sich befindende Koksvolumen ändert sich in dem Rhythmus, in dem neue Kokschargen dem Einstragsteil zugeführt werden. Demgegenüber durchwandert der Koks die eigentliche Kokskühlkammer mit vorgegebener Verweilzeit. Die Kühlung des Kokses im Eintragsteil ist mithin sehr unterschiedlich intensiv. Im Wandbereich des Eintragsteiles ist sie in jedem Fall intensiver, als im wandfernen Bereich des Eintragsteiles, wo eine gewisse Kühlung durch Konvektion atmosphärischer Luft erfolgt. Der der eigentlichen Kokskühlkammer zugeführte Koksstrom befindet sich daher nicht auf einem einheitlichen Temperaturniveau; er weist vielmehr Teilmengen des Kokses auf, deren Temperatur noch annähernd die Ausgangstemperatur beim Eintragen in das Eintragsteil aufweist. Deshalb ist es zwingend erforderlich, die eigentliche Kokskühlung mit einem Inertgas durchzuführen. Bei diesem bekannten Verfahren zur trockenen Kokskühlung ist also die Verwendung inerter Kühlgase zwingend erforderlich. Dieses Inertgas muß eigens bereitgestellt werden ; eine Kreislaufführung des Inertgases erfordert - wegen unvermeidbarer Undichtigkeiten und aufgrund der beim Kokskühlen entstehenden Gase - eine besondere Behandlung, bevor es erneut zur trockenen Kokskühlung verwendbar ist. Dieser Behandlungsschritt ist ein zusätzlicher Schritt, der nur Aufwand bedeutet und keinen weiteren Nutzen mit sich bringt. Der im Eintragsteil erzeugte und gegebenenfalls überhitzte Wasserdampf wird einer Kohlevorerhitzungsanlage zugeführt, in der die - bereits trockene - Kokskohle auf Temperaturen zwischen 150 und 250 °C vorerhitzt wird. Das für die Kohlevorerhitzung verwendete Gas kann wegen seines Wasserdampfgehaltes dem Prozeß nicht wieder zugeführt werden. Bei diesem bekannten Verfahren fällt also nicht nur der beim Trocknen der vorzuerhitzenden Kokskohle freiwerdende Wasserdampf, sondern auch der vom Vorerhitzungsgas der Kokskohle transportierte Wasserdampf auf einem ungünstigen Temperatumiveau als Abfallprodukt an und kann in dem Verfahren nicht verwendet werden.
Aus der EP-A1-0 041 497 ist ein Verfahren zur trockenen Kokskühlung bekannt, bei dem der Koks durch einen zweistufigen Kühlapparat von oben nach unten geführt wird. Dabei entstehen sowohl in der oberen als auch in der unteren Kühlstufe freie Koksoberflächen. Oberhalb dieser beiden Koksoberflächen sind diesen zugewandte Strahlungskühlflächen angeordnet. Der Koks wird in der unteren Kühlstufe zusätzlich zur Kühlung durch die Strahlungskühlfläche durch ein im Kreislauf im Gegenstrom zum Koks geführtes Wärmeträgergas gekühlt. Diese bekannte Anordnung dient dazu, die Überhitzungsgefahr an den Kühlflächen zum Kühlen des Kühlgases zu vermeiden. Der Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht unter anderem darin, daß eine ausreichend starke und hinreichend definierte Abkühlung mit der dort vorgeschlagenen Anordnung der Strahlungskühlflächen äußerst schwierig ist; daher ist eine derartige Anordnung nicht geeignet, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende und nachfolgend genannte Aufgabe zu lösen.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei denen eine direkte Kopplung des Kokskühlgaskreislaufes mit einem thermischen Behandlungsschritt, bei dem Wasserdampf entsteht, möglich ist, ohne daß der zu kühlende Koks dabei wesentlich mehr abbrennt als bei den bekannten Kokstrockenkühlungsverfahren ; gleichzeitig soll unter Vermeidung getrennter Kühlgaskreisläufe eine besonders wirkungsvolle Kokstrockenkühlung mit besonders hohem Wirkungsgrad ermöglicht werden.
Als technische Lösung dieser Aufgabe werden ein verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit der kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 3 vorgeschlagen.
Erfindungsgemäß erfolgt die Kokskühlung in der ersten Kühlstufe im wesentlichen durch Wärmestrahlung zwischen dem Koks und den Wärmeaustauscherwänden und in geringem Maß durch Wärmeleitung zwischen dem Koks und den Wärmeaustauscherwänden - also ausschließlich indirekt ; eine direkte Kühlung durch ein durch die Koksschüttung im direkten Kontakt geleitetes Kühlgas wird also unterbunden. Hierdurch wird erreicht, daß nur ein einziger Kühlgaskreislauf erforderlich ist, eine aufwendige Rückkühlung (Wärmenutzung) unterbleiben kann und mittels der Wärmeaustauscherwände sekundärseitig eine besonders effektive Dampferzeugung möglich ist. Dabei wird insgesamt eine fast vollständige Rückgewinnung der fühlbaren Wärme des glühenden Kokses erreicht.
Zweckmäßige Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes, die insbesondere die Effektivität der Kühlung in der zweiten Kühlstufe und die Rückkühlung des Kreislaufkühlgases gewährleisten, sind in weiteren Ansprüchen enthalten.
Die vorgenannten, erfindungsgemäß zu verwendenden Verfahrensschritte bzw. Bauteile unterliegen in ihrer Verfahrensführung sowie Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so daß die in dem jeweiligen Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der zugehörigen Zeichnung, in der eine bevorzugte Ausführungsform einer Kokstrockenkühlvorrichtung dargestellt worden ist. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung.
Der glühende Koks tritt mit einer Temperatur von etwa 1 050 bis 1 100° C in einen Kühlbehälter 1 (Kühlschacht) mit vorgeschalteter Vorkammer 10 ein. Nach Verlassen der Vorkammer 10, in der nur ein geringer Temperaturverlust eintritt, gelangt der Koks in die erste Kühlzone (Kühlstufe 1a) des Kühlbehälters 1, in der der Koks ausschließlich durch Wärmestrahlung und -leitung auf eine Temperatur von 800 bis 850 °C abgekühlt wird. Hierzu dienen Mantelkühlflächen 8 und innere Einbaukühlflächen 9, die sekundärseitig mit Speisewasser beaufschlagt werden, das die erste Kühlstufe als Dampf wieder verläßt. Nach Passieren einer Einschnürung oder Koksschleuse 7, die aus einem Trichter und einem wahlweise darunter vorsehbaren kegeligen Einbauteil mit obenliegender Spitze (in der Figur gestrichelt eingezeichnet) bestehen kann, tritt der Koks in die zweite Kühlzone (Kühlstufe 1b) des Kühlbehälters 1 ein. In dieser wird eine Abkühlung des Kokses soweit als möglich - sinnvollerweise auf Temperaturen von rund 200 °C - erreicht.
Die zweite Kühlzone wird im Gegenstrom mit etwa 150 °C heißen wasserdampfhaltigen Gasen mit einem Wasserdampfanteil von etwa 50 bis 90 Vol.-% vorzugsweise aus einer an sich bekannten Kohletrocknungs- und vorerhitzungsanlage 11 betrieben.
Diese Kühlgase treten unmittelbar oberhalb der Koksabzugseinrichtung 3 durch eine untere Kühlgasaufgabeeinrichtung 5 in die Kühlstufe 1b ein. Sie verlassen diese durch eine mittlere Kühlgasabführeinrichtung 6 im Bereich bzw. auf der Höhe der Einschnürung mit etwa 600 °C. Die Kühlgasströmung ist in der Zeichnung mit Pfeilen dargestellt. Von der gesamten zur Verfügung stehenden Temperaturdifferenz werden etwa 850 bis 900 K genutzt - davon etw 200 bis 250 K in der ersten Kühlzone zur Dampferzeugung, d. h. rund 25 %. Die übrigen 75 % werden an das Kühlgas übertragen und dienen der Kohletrocknung und -vorerhitzung.
Mit 1 kg Koks wird etwa eine Enthalpie von 1 674 kJ in den Kühlschacht eingebracht. 1 423 kJ stehen zur technischen Nutzung zur Verfügung. 376 kJ werden zur Erzeugung von etwa 0,16 kg Dampf (ca. 20 bar) genutzt. 1 047 kJ stehen zur Kohlevorerhitzung einschließlich -trocknung zur Verfügung, die einen Bedarf von 544 bis 837 kJ/kg Kohle, entsprechend 724 bis 837 kJ/kg Koks hat. Somit, d. h. unter Einbeziehung der Verluste, kann eine ausgeglichene Wärmewirtschaft im Kopplungsbetrieb « Kokstrockenkühlung/2. Kühlzone » und Kohletrocknung/-vorerhitzung erzielt werden.