Heutige Qualitätsanforderungen an - tu-freiberg.detu-freiberg.de/sites/default/files/media/professur-fuer-energiever... · Hüttenwerke Krupp Mannesmann (HKM) Duisburg Huckingen

KBS Kokereibetriebsgesellschaft Schwelgern

5th International Freiberg Conference; Sonderkolloquium 60. Jahrestag erster Braunkohlenkoks Leipzig, May, 22th, 2012 Liszio

1

Heutige Qualitätsanforderungen an HOCHOFENKOKS




2

Agenda

o Deutsche Roheisen- und Koksproduktion

o Funktionen des Hochofenkokses im modernen Hochofenbetrieb

o Parametrierung der Hochofenkoks-Qualität

o Verfahrenstechnische Beeinflussung der Koksqualität

o Zusammenfassung



3

Agenda

o Deutsche Roheisen- und Koksproduktion



4

Blast Furnaces in Operation and Aveage Production per Blast Furnace and Year in Germany



5

Prof. Dr. Schmöle, TKSE



6

Coke production in Germany and consumption by the German steel industry



7

Location of coke oven plants in Germany

VDEh, Dr. Bodo Lüngen



8

Operated coke oven plants in Germany

Company Location Capacity,

million t/a

Production 2011,

million t Coke dry Remarks

Hüttenwerke Krupp

Mannesmann (HKM)

Duisburg

Huckingen 1.10 1.16

Salzgitter Flachstahl Salzgitter 1.50 1.50

Pruna/KBS Duisburg

Schwelgern 2.82 2.48

Zentralkokerei Saar Dillingen 1.30 0.96 Partly under

repair

Arcelor Mittal Prosper Bottrop 2.00 1.90

Total 8.50 7.99

Dr. Bodo Lüngen, VDEh



9

Coke production in Germany and coking coal supply in 2011




10

Injection coal and external coke supply to the German iron and steel works in 2011




11

Agenda

o Funktionen des Hochofenkokses im modernen Hochofenbetrieb



12

Blast furnaces at ThyssenKrupp Steel (up to 2009)

active active active

HO 1 HO 2 HO 4

Schwelgern Works

10,0 m

16,0 m

13,6 m

4,4 m 14,9 m 4,6 m

17,2 m

28,2 m

11,0 m

2,2 m

26,9 m

3,0 m

4.769 m3 3.844 m3

HO 8 HO 9

Hamborn Works

active

4,0 m

23,1 m

7,5 m

10,2 m

11,8 m

2,2 m

1.833 m3

active

4,2 m

24,4 m

7,5 m

12,5 m

2,41 m

2.112 m3

3,7 m

23,5 m

7,5 m

10,6 m

12,2 m

2,0 m

2.030 m2

10,7 m

10,0 m

16,0 m

13,6 m

3.844 m 3

2,2 m

10,0 m

16,0 m

13,6 m

3.844 m 3

2,2 m

10,0 m

2,2 m

10,0 m

Stand by

OxyCup




13

Entwicklung der Hochofengröße in Deutschland (1960 – 1993)




14

Gas distribution in the BF shaft

Gas distribution in the melting and softening zone

Support of the burden column

Regeneration of CO2 (Boudouard - Reaction), Direct reduction

Energy input

Vertical and horizontal drainage for liquid products

Carburization of the hot metal

Roles of coke in the blast furnace




15

Gasverteilung innerhalb eines Großhochofens




16

Agenda

o Parametrierung der Hochofenkoks-Qualität



17

Quality parameters of coke

I40, I10

CSR /

CRI

Medium grain size,

grain structure,

grain size distribution



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Kaltfestigkeits-Kennwerte des Kokses aus der IRSID-Trommel

50 kg Koks bei 40 mm Siebmaschen- weite klassiert

Koks wird für 500 Umdrehungen getrommelt (d=1000 mm)

Koks wird anschließend wieder bei 40 mm abgesiebt; Prozentsatz größer 40mm in % ist I40

Siebdurchgang wird nochmals bei 10 mm klassiert; Prozentsatz kleiner 10 mm in % ist I10

I40: Stückfestigkeit

I10: Abriebfestigkeit



19

Heißfestigkeit und Reaktivität nach NSC-Test

200 g Koks mit mind. 20 mm Durchmesser werden in einer Retorte auf 1100 °C erhitzt.

Zugleich wird der Koks mit einem künstlichen Gichtgas aus N2 und CO2 für 2h beaufschlagt:

C(s) + CO2(g) <=>2 CO(g)

Anschließend wird der verbleibende Koks erneut verwogen; der Massenschwund in Prozent ist ein Maß für die Reaktivität:

Coke Reactivity Index; z.B: CRI = 19 %

Im Anschluss wird der Koks in einer kleinen Trommel mit 600 Umdrehungen getrommelt.

Es folgt eine Absiebung bei 10 mm; Koksanteil größer 10 mm in Prozent ist der CSR.

Coke Strength after Reaction; z.B. CSR = 65 %

CRI: Reaktivität CSR: Heißfestigkeit



20

I40, I10

CSR /

CRI

Voidage high

Gas permeability high

Drainage high

Gas permeability

Grain size

distribution

Grain size

distribution

Charged coke

Coke – Good size distribution, high I40 and high CSR

Liquid products

Gas permeability

Grain size

distribution

Good coke = excellent BF performance!




21

Correlation of BF performance and coke quality parameters



22

Boudouard-Reaction: C + CO2 T, Catalysis

2 CO

Catalysts: Fe, Ca, Mg, Na, K, SO3, …

ΔHR = 40,5 kcal/kmol

Coke reactivity and its relevance for BF operations



23

• Volatile Matters, ash, sulphur, phosphorus, moisture

• Rheologic parameters (dilatation, fluidity)

• Petrographic parameters (vitrinit-/ inert-content, reflectance)

Ash Chemistry (Fe, Ca, Mg, K, Na, SO3, others)

Since 1998, lots of excellent coking coals are no more excellent (Germany, East-Europe, …)

Premium Hard Coking Coals are generating excellent CSR-values

Some Premium Hard Coking Coals are producing weak coke

Excellent Premium Hard Coking Coals are extremely rare !!!

New Classification of Coking Coals

typical parameters

new parameters



24

www.scotese.com



25

www.scotese.com



26

www.scotese.com



27

Agenda

o Verfahrenstechnische Beeinflussung der Koksqualität



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Koksqualität = f(Rohstoff, Reaktor, Betriebsbedingungen)

Rohstoff: Qualität, Verfügbarkeit, Preis (keine Commodity mehr!) Reaktor: Horizontalkammerofen, Schütt- oder Stampfbetrieb Heat-Recovery-Ofen, Schütt- oder Stampfbetrieb Geometrie des Ofens, Fallhöhe des Kokses bei 1.020°C Betriebsbedingungen: Schüttdichte (Beölen, Briquettierung, Vorerwärmung) Garungszeit, Heizzugtemperatur (Wirtschaftlichkeit) Löschverfahren (KTK, Löschturm, CSQ) Energiemanagement, Gasbewertung



29

Energien, Instandhaltung

Kokskohle

Personalaufwand

74,0

98,2

139,5136,6

154,3

183,6

100,0

20,3 %

2,6 %

18,2 %

3,4 %

GJ 2006/07

177,9

19,8 %

196,3

5,7 %

14,8 %

4,4 %

GJ 2004/05 GJ 2005/06

18,1 %

3,4 %

GJ 2003/04

170,6

3,2 %

GJ 2008/09

229,7

17,5 %

GJ 2007/08

126,8

Rohstoffanteil an den Produktionskosten rund 80 %

Entwicklung der Umsatzkosten für Koks Index 2003/04 = 100 und Kostenstruktur in %

74,0 %

77,5 %

81,8 % 76,8 %

78,6 %

79,9 %



30

Australia

35%

Canada

20%

USA

35%

Petcoke

10%

Typische Einsatz-Kohlenmischung KBS



31

2009 Global Coking Coal Seaborne Trade Flow

Australia 81,6 mt

Japan, Korea, Taiwan 43,5 mt China

23,4 mt

India 17,2 mt

Russia 7,1 mt

Europe 24,3 mt

Canada 12,7 mt

USA 18,3 mt

Brazil 6,4 mt

1,5 mt

4,5 mt

JKT 1,2 mt

China 2,7 mt JKT 7,3 mt

5,6 mt

0,9 mt

0,5 mt

33,9 mt

16,1 mt

Source: GTIS, Macquarie Capital (USA), October 2009 (Data through August 2009)

Major Importer Major Exporter

2,0 mt

10,5 mt

6,0 mt

20,6 mt



32

Thermoscans unserer Kohlen vom Coal Terminal Europoort; die hot-spots bewirken den Verlust an Verkokungsvermögen

100 degrees +

75 untill 80 degrees





Below 30 degrees

Below 30 degrees

Below 30 degrees

Stockpile survey and

protection

Plaats : CTE Rotterdam

Partij nr. : 121 German creek

Terrein : L 5/6 710 t/m 795 m

Datum meting : 2009-10-27

oost



33

Wöchentliche Messung des Innengasdruckes im industriellen Koksofen



34

Rissbildung im Koks infolge unzureichender

Aufmahlung von Einsatzkohlen



35



36



37

Entwicklung der Ofenkammervolumina bis zum Design der Kokerei Schwelgern

813

20

38

93

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1913 1937 1961 1980 2003

Ofen-Kammer-Volumenin m³



38



39

63

179

513

40100

161

0

100

200

300

400

500

600

700

800

August Thyssen Schwelgern

Employee

Production

Employee

Maintenance

Staff



40

Oven Length 20,80 m

Oven Hight 8,43 m

Oven Width 0,59 m

Eff. Oven Volume 93 m3

Production 2.8 mio. t/a

Coking plant Schwelgern



41

Die Stampfmaschine der Zentralkokerei Saar hat ein Dienstgewicht von 1.200 t !



42

Heizwandaufbau der Kokerei Schwelgern



43

Heizwandaufbau der Kokerei Schwelgern



44



45



46

DATUM ORIGINAL

LETZTE ÜBERARBEITUNG

MASSSTAB

AUFTRAGSNR.

REVISIONEN

NR. DATUM BESCHREIBUNG

ERSTELLT GEPRÜFT

TITEL

Löschturm 2 Löschturm 1

Kohleturm

KAM1 KAM2

LF2_376 LF1_375

KFW2_252

KÜM1 KÜM2

Schalke Duisburg Flachantenne

Fahrzeugantenne

Unterverteilerschrank

LWL Leitungen

Zentrale

Servicewagen

S7

Servicewagen

S7

S7 S7

S7

Signal Stärke 50-60% Signal Stärke 17-25%

Signal Stärke 70-80%

20 dBi 20 dBi 20 dBi 20 dBi

20 dBi 20 dBi 20 dBi 20 dBi 9 dBi 9 dBi

17 dBi 17 dBi

17 dBi 17 dBi

17 dBi 17 dBi

Schr.10 Schr.11

KFW1_251

BAT2 BAT1 KOS

Datennetz Ofenbedienmaschinen

Definiertes Datenvolumen 33800 Binärsignale 650 Analogwerte



47

KTK-Kokerei August Thyssen



48

70 m

Löschturm Kokerei August Thyssen CSQ - Turm Schwelgern

Vergleich von Löschtürmen

40 m



49

CSQ-Quenching Car



50

Fackel

Hochofengas

Strom

E-Turbinen

Energieverbund im integrierten Hüttenwerk TKSE

Kokskohle Kohle Koks Erdgas

Fernwärme Techn. Gase

Koks- gas

Fackel

Konvertergas ISRG- Dampf

Dampf

Roheisen

2 Stahlwerke

Fremde

TKS-CS Verbraucher Incl. Eigenbedarf Kokerei und Hochofen

Mischgas- stationen

2 Kraftwerke

Ersatzgas- stationen

Kokerei

4 Hochöfen



51



52

• Gas combustion inside the furnace

• It does not recover COG gas

• It does not recover Tar, BTX, NH3

• Heat Recovery Power Generation

• Negative pressure inside the furnace

• No door emissions

• No auxiliary fuels

Argumente für den Heat-Recovery-Prozess



53

Agenda

o Zusammenfassung



54

• Die Qualitätsanforderungen an den Hochofenkoks korrelieren mit den Hochofendimensionen und stehen im Mittelpunkt einer betriebswirtschaftlichen Optimierung der Roheisenproduktion.

• Guter Hochofenkoks lässt hohe Einblasraten an Kohle oder anderen C-Trägern bei gleichzeitig geringem Verbrauch an Gesamt-Reduk- tionsmitteln zu (z.B. 480 kg Cges/tRE und 160 kg Einblaskohle/tRE).

• Guter Hochofenkoks hat neben geringen Nässe-, Asche-, Schwefel-, und Phosphor-Werten vor allen Dingen: - hohe Kaltstückfestigkeiten bei hoher Abriebfestigkeit (I40>56%)

- hohe Heißfestigkeiten und milde Reaktivität (CSR>65%;CRI<21%) - große Stückigkeit bei homogenem Kornband (D50 >52 mm). • Bestehende Kokereien haben kaum verfahrenstechnische Chancen

die Koksqualität positiv zu beeinflussen.

• Die maßgebliche Stellgröße zur Optimierung der Hochofenkoks- qualität bleibt der Rohstoff, dessen Bedeutung vom Markt leider erkannt worden ist (Premiumkohle: 204 $/t; Mai 2012)



55

Ende

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