Verfahren zum Betreiben einer Schachtofenanlaqe und Schachtofenanlaqe

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Schachtofenanlage, insbesondere einer Kupolofenanlage, und eine entsprechend betreibbare

Schachtofenanlage gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Stand der Technik

Kupolöfen sind Schachtöfen, die beispielsweise zur Herstellung von Gusseisen aus Roheisen und Schrott eingesetzt werden. Kupolöfen ähneln in ihrem Aufbau und ihrer Betriebsweise Hochöfen, sind jedoch kleiner. Als Brennstoff wird in Kupolöfen typischerweise Gießereikoks eingesetzt.

Zu den in dieser Anmeldung verwendeten Begriffen und weiteren Grundlagen der Erfindung sei auf einschlägige Nachschlagewerke verwiesen (siehe D. Schauwinhold et al.: Steel. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Onlineausgabe.

Weinheim: Wiley-VCH, 2000. DOI: 10.1002/14356007.a25_063).

Die Erfindung ist ausdrücklich nicht auf den Einsatz in Kupolöfen beschränkt, sondern kann bei sämtlichen Schachtöfen zum Einsatz kommen, die zumindest mit Kokereikoks beheizt und denen ein beliebiger Einsatz zum Schmelzen zugeführt wird. Der Begriff Einsatz umfasst damit metallische und nichtmetallische Chargen. Hierunter fällt insbesondere der sogenannte Eisensatz oder kalte Satz, bestehend aus Roheisen, Gussbruch, Stahlschrott und/oder sonstigen eisenhaltigen Zuschlagstoffen, es sind aber auch kupferhaltige oder nichtmetallische Chargen als Einsatz denkbar.

Unter Kokereikoks wird hier Koks verstanden, der aus Fettkohle durch Pyrolyse erzeugt wird. Kokereikoks umfasst beispielsweise Hüttenkoks und den in Kupolöfen typischerweise eingesetzten, langsamer verkokten Gießereikoks. Unter Petrolkoks wird im Gegensatz dazu aus Erdöl gewonnener Koks verstanden, der beispielsweise aus Bitumen aus der Vakuumdestillation von Rohöl hergestellt wird. Der in Schachtöfen eingesetzte Kokereikoks ist grobstückig und wird üblicherweise automatisch chargiert. Diese Einwägung ist ausgesprochen ungenau und führt zu Differenzen in der Energiebilanz der Schachtöfen, die wiederum die unten näher erläuterten Konsequenzen nach sich ziehen können.

Es besteht daher der Bedarf nach Verbesserungen bei Schachtofenanlagen, die diese Nachteile überwinden und insbesondere eine reproduzierbarere Verfahrensführung auch bei ungenauer Kokereikokseinwaage ermöglichen. Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Schachtofenanlage und eine entsprechend betreibbare Schachtofenanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Vorteile der Erfindung Die vorliegende Erfindung geht von einem Verfahren zum Betreiben einer

Schachtofenanlage mit zumindest einem Schachtofen aus, in dem zumindest ein schmelzbarer Einsatz durch Wärme aufgeschmolzen wird, welche durch Verbrennung von Kokereikoks, der in den zumindest einen Schachtofen eingebracht ist, und zumindest zeitweise durch Verbrennung von Petrolkoks, der in den wenigstens einen Schachtofen eingespeist wird, bereitgestellt wird. Eine derartige Schachtofenanlage ist in der DE 10 2011 107 326 A1 dargestellt und wird unten näher erläutert.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, zumindest einen Wert, der einen Energiegehalt des in den wenigstens einen Schachtofen eingebrachten Kokereikokses kennzeichnet, zu bestimmen, und eine Abweichung dieses Wertes von zumindest einem Sollwert durch Verändern der Einspeisung des Petrolkokses zumindest teilweise

auszugleichen. Die Menge des eingespeisten Petrolkokses kann erhöht oder verringert werden, gegebenenfalls auch bis auf null. Die vorliegende Erfindung schlägt damit eine prozessabhängige Steuerung der Einspeisung des Petrolkokses vor, welche sich insbesondere zur Überwindung der eingangs bereits angesprochenen Nachteile, die sich beispielsweise aus den

Ungenauigkeiten in der Chargierung ergeben, als besonders vorteilhaft erweist. Wie erwähnt, ist der in Schachtöfen der eingangs erläuterten Art eingesetzte Energieträger Kokereikoks sehr grobstückig und wird automatisch chargiert. Aufgrund von

Ungenauigkeiten bei der Einwägung ergeben sich mitunter erhebliche Unterschiede in den Energiebilanzen der einzelnen Öfen einer entsprechenden Schachtofenanlage oder beim Betrieb eines Ofens mit unterschiedlichen Chargen. Auch die

Zusammensetzung des Kokereikokses kann variieren, so dass sich unterschiedliche Energieanteile in der Schmelzzone ergeben.

Der Kokereikoks wird in der Schmelzzone umgesetzt und ein ggf. fehlender

Energieanteil aufgrund zu geringer Zuspeisung von Kokereikoks kann zu Problemen in der Temperaturführung, der Analytik, d.h. der Gehalte des erhaltenen Gusses an den erwünschten Komponenten, und der Abgassituation führen.

Insbesondere ein zu geringer Energiegehalt des Gicht- bzw. Rohgases entsprechender Schachtöfen kann zu Komplikationen in der Nachverbrennung, beispielsweise bei der Energierückgewinnung in einem Heißwinderhitzer, führen. Somit ergeben sich

Probleme bei der weiteren Wärmenutzung in Form von Heißwind sowie gegebenenfalls beim Emissionsverhalten entsprechender Schachtofenanlagen: Ist der Energiegehalt des Gichtgases zu gering, muss beispielsweise ein Heißwinderhitzer mit erheblichen Kosten fremdbeheizt werden. Der Energiegehalt des Gichtgases ist dabei im

Wesentlichen durch den Gehalt an Kohlenmonoxid definiert. Durch Anpassung der Einspeisung des Petrolkokses kann ein Mangel an Kohlenmonoxid und damit ein zu geringer Energiegehalt des Gichtgases ausgeglichen werden.

Durch den Einsatz der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen ist es möglich, problematische Situationen, die sich in der Temperaturführung und der Analyse der Schmelze sowie der Verbrennung der Gichtgase in nachgeschalteten Brennkammern ergeben, zu vermeiden.

Hierbei spielt insbesondere eine Rolle, dass die Verbrennung entsprechender

Gichtgase bei mindestens 880 °C erfolgen sollte, um eine optimale Umsetzung enthaltener Kohlenwasserstoffe zu garantieren und die gesetzlichen Toleranzgrenzen von Restkohlenmonoxid im hierdurch gebildeten Reingas zu erreichen. Diese liegen typischerweise bei 150 mg/m ³ . Werden entsprechende Temperaturen, beispielsweise aufgrund zu geringer Energiegehalte des Gichtgases, nicht erreicht, muss die verwendete Brennkammer zusätzlich beheizt werden, beispielsweise mit Erdgas oder Erdöl. Dies ist aufgrund der erhöhten Kosten unerwünscht.

Ferner spielt in diesem Zusammenhang eine Rolle, dass es insbesondere zur

Verringerung des Abbrands von Silicium und Eisen im Schachtofen wünschenswert ist, einen entsprechenden Schachtofen reduzierend zu betreiben. In aller Regel werden den erläuterten Schachtöfen, beispielsweise Kupolöfen, vergleichsweise teure Silicium- Kohlenstoff-, Eisen-Mangan- und/oder Eisen-Silicium-Legierungskomponenten zugesetzt, um die in der Schmelze geforderten Analysen zu erreichen. Wird ein Schachtofen mit einem zu geringen Kokereikoksanteil in der Schmelzzone betrieben, und wird dies nicht durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen

ausgeglichen, steht bei gleicher Heißwindmenge (und gleichem Sauerstoffgehalt des Heißwinds) der Anteil Sauerstoff, der nicht mit dem Koks reagiert, im Überschuss zur Verfügung. Dieser Sauerstoff kann somit mit anderen Einsatzstoffen, insbesondere mit dem Silicium, Eisen und Mangan, reagieren und auf diese Weise die

Schlackenbasizität negativ beeinflussen.

Kennt man jedoch die Energiemenge (d.h. den Kokereikoksanteil) in der Schmelzzone, kann diese mit Petrolkoks gezielt ausgeglichen werden und hierdurch sowohl ein geringer Abbrand als auch ein verringerter Fremdenergieeinsatz erzielt werden. Die erhaltene Qualität des gebildeten Gusses, beispielsweise von Gusseisen, kann verbessert werden. Entsprechend betriebene Schachtöfen weisen deutlich verbesserte ökonomische und ökologische Kennzahlen auf. Die vorliegende Erfindung schlägt dabei insbesondere vor, einen Energiegehalt eines aus dem wenigstens einen Schachtofen abgezogenen Gichtgases zur Bestimmung des den Energiegehalt des in den wenigstens einen Schachtofen eingebrachten Kokereikokses kennzeichnenden Werts zu verwenden. Hierbei kann auch von einem theoretischen Heizwert ausgegangen werden, wobei unter Realbedingungen

Toleranzgrößen ermittelt werden. In Schachtofenanlagen stehen Messeinrichtungen zur Bestimmung von Komponenten des Gichtgases häufig bereits zur Verfügung, beispielsweise um eine Zufeuerung in einem Heißwinderhitzer zu regeln.

Von besonderem Vorteil ist es dabei, als den Energiegehalt des Gichtgases dessen Kohlenmonoxidgehalt zu ermitteln. Herkömmliche Schachtofenanlagen können bereits zur Ermittlung des Kohlenmonoxidgehalts des Gichtgases eingerichtet sein, wozu entsprechende Messeinrichtungen vorgesehen sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ist in diesem Fall besonders einfach zu implementieren. Eine Ermittlung des

Kohlenmonoxidgehalts des Gichtgases kann, wie bereits angesprochen, zur

Einstellung einer Zufeuerung und/oder zur Einhaltung der ökologischen Kennzahlen bzw. Emissionsgrenzwerte der Anlage erforderlich sein.

Vorteilhafterweise kann der Energiegehalt des Gichtgases auch stromauf wenigstens eines Winderhitzers durch Temperaturmessung ermittelt werden, was eine besonders einfache und genaue Ermittlung des Energiegehalts ermöglicht.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist vorteilhafterweise auch vorgesehen, dem zumindest einen Schachtofen zumindest ein sauerstoffangereichertes Gasgemisch zuzuführen, dessen Sauerstoffgehalt und/oder dessen Menge auf Grundlage des Werts, der den Energiegehalt des in den wenigstens einen Schachtofen eingebrachten Kokereikokses kennzeichnet, eingestellt wird. Durch diese Maßnahme steht eine weitere Eingriffsmöglichkeit zur Verfügung, wenn die Einstellung der Menge des eingespeisten Petrolkokses in den wenigstens einen Schachtofen nicht oder nicht mit ausreichender Dynamik möglich ist.

Wie bereits angesprochen, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur Verwendung mit Schachtofenanlagen mit zumindest einem Kupolofen.

Entsprechende Anlagen sind grundsätzlich bekannt, beispielsweise zur Erzeugung von Gusseisen aus Roheisen, Kreislaufmaterial und Stahlschrott. Ein Kupolofen kann beispielsweise zum Schmelzen von Grauguss ausgebildet sein. Wie bereits erwähnt, sind jedoch auch andere Schachtofenanlagen zum Schmelzen von anderen metallischen Einsätzen wie beispielsweise Kupfer, oder auch zum Schmelzen von nichtmetallischen Materialien, beispielsweise zur Erzeugung von Mineralwolle, erfindungsgemäß betreibbar. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Petrolkoks unter Verwendung von zumindest einer Brennerlanze in den wenigstens einen Schachtofen eingespeist wird. Zur Ausgestaltung und zum Betrieb entsprechender Brennerlanzen sei ausdrücklich auf die eingangs bereits erwähnte DE 10 2011 107 326 A1 verwiesen.

Wie dort dargestellt, kann der Brennstoff, im vorliegenden Fall Petrolkoks, einer entsprechenden Brennerlanze zugeführt und von einem Treibdüsenstrom mitgerissen werden. Der Treibdüsenstrom weist einen hohen Impuls auf. Ein entsprechend erhaltenes Gemisch kann damit mit einem hohen Impuls in den Schachtofen eingebracht werden. Es kann daher besonders tief in den Schachtofen bzw. das darin eingebrachte Material eindringen und somit eine optimale energetische Verwertung der eingesetzten Energieträger bewirken.

Die zum Schmelzen des Einsatzmaterials erforderliche Energie wird also im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht nur über den Kokereikoks, sondern zusätzlich über den durch eine entsprechende Brennerlanze zugeführten Brennstoff Petrolkoks zugeführt. Auf diese Weise kann auch die Schmelzleistung optimiert und die Menge an Kokereikoks erheblich reduziert werden. Eine Reduzierung des Verbrauchs an

Kokereikoks von bis zu 30 % ist möglich.

Die Verwendung von Petrolkoks ist insbesondere auch deshalb vorteilhaft, weil dieser unter Umständen durch das Erreichen höherer Rinneneisentemperaturen zur

Aufkohlung des erzeugten Gusseisens verwendet werden kann. Somit kann gegebenenfalls der Stahlschrottanteil im Einsatzmaterial gesteigert werden, was die Wirtschaftlichkeit eines entsprechenden Verfahrens nochmals verbessert.

Der Petrolkoks wird in eine entsprechende Brennerlanze, bzw. auch in anderen Einrichtungen zur Einbringung von Petrolkoks in einen Schachtofen, in Pulverform eingebracht, wobei der Petrolkoks vorteilhafterweise besonders fein aufgeschlossen ist. Der Petrolkoks weist dabei vorzugsweise einen mittleren Korndurchmesser von 30 bis 90 pm, insbesondere von 35 bis 60 pm, auf. Dieser ermöglicht durch sein optimales Verhältnis von Volumen zu Oberfläche einen direkten und somit effizienten

Energieeintrag. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst insbesondere die Verwendung von zumindest einer Steuereinrichtung, die auf Grundlage des Werts, der den

Energiegehalt des in den wenigstens einen Schachtofen eingebrachten Kokereikokses kennzeichnet, zumindest einen AnSteuerbefehl an zumindest eine Fördereinrichtung zur Förderung des Petrolkokses ausgibt. Dies ermöglicht eine besonders effiziente und zuverlässige Verfahrensführung durch Verwendung an sich bekannter Steuerungs- und Regelungsverfahren.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Schachtofenanlage mit zumindest einem Schachtofen, der dazu ausgebildet ist, zumindest einen schmelzbaren Einsatz durch Wärme aufzuschmelzen, welche durch Verbrennung von Kokereikoks, der in den zumindest einen Schachtofen eingebracht ist, und zumindest zeitweise durch

Verbrennung von Petrolkoks, der in den wenigstens einen Schachtofen eingespeist wird, bereitgestellt wird.

Eine erfindungsgemäße Schachtofenanlage zeichnet sich durch Mittel aus, die dafür eingerichtet sind, zumindest einen Wert, der einen Energiegehalt des in den wenigstens einen Schachtofen eingebrachten Kokereikokses kennzeichnet, zu bestimmen, sowie durch Mittel, die dafür eingerichtet sind, eine Abweichung dieses Werts von zumindest einem Sollwert durch Verändern der Einspeisung des

Petrolkokses zumindest teilweise auszugleichen.

Eine derartige Schachtofenanlage ist insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet, wie es zuvor erläutert wurde. Sie profitiert daher von den zuvor erwähnten Vorteilen, auf die daher ausdrücklich verwiesen wird.

Eine derartige Schachtofenanlage verfügt über sämtliche Mittel, die sie zur

Durchführung eines entsprechenden Verfahrens befähigen, insbesondere über zumindest eine Steuereinrichtung, zumindest eine Messeinrichtung und zumindest eine Fördereinrichtung für den Petrolkoks, wobei die zumindest eine Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, auf Grundlage eines durch die zumindest eine Messeinrichtung bereitgestellten Messsignals ein Ansteuersignal an die zumindest eine

Fördereinrichtung auszugeben. Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur weiter erläutert, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Figur 1 zeigt eine Schachtofenanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

In Figur 1 ist eine Schachtofenanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet.

Die Schachtofenanlage 100 umfasst im dargestellten Beispiel genau einen als

Kupolofen veranschaulichten Schachtofen 10. Wie erläutert, kann die vorliegende

Erfindung jedoch auch in Schachtofenanlagen 100 mit zwei oder mehr Schachtöfen 10 zum Einsatz kommen.

Der Schachtofen 10 ist in bekannter Weise ausgebildet. Er kann über eine hier nicht gezeigte Gattierungsöffnung mit Material beschickt werden, wie hier durch Pfeil 11 veranschaulicht. Bei dem in den Schachtofen 10 eingebrachten Material handelt es sich dabei zumindest um einen schmelzbaren Einsatz, hier mit 12 veranschaulicht, und um Kokereikoks, hier mit 13 veranschaulicht. Wie erläutert, kann es sich bei dem schmelzbaren Einsatz 12 beispielsweise um Roheisen und/oder Metallschrott handeln. Der Kokereikoks 13 wird typischerweise in Form von Gießereikoks verwendet.

Typischerweise werden in einen entsprechenden Schachtofen 10 weitere Materialien eingebracht, beispielsweise Kalk und/oder bestimmte, beispielsweise silicium- und manganhaltige Legierungsbestandteile, hier mit 14 veranschaulicht. Über einen Windring 15 mit entsprechenden Düsen kann erhitzte Luft, sogenannter Heißwind, in den Schachtofen 10 eingeblasen werden. Der Heißwind 16 kann auch unter Verwendung eines sauerstoffangereicherten Gases 17, beispielsweise technischem Sauerstoff, mit zusätzlichem Sauerstoff beaufschlagt werden, um die Verbrennung in dem Schachtofen 10 zu beeinflussen. Durch die Verbrennung des Kokereikokses 13 kommt es in einer Schmelzzone 18 zu einem zunehmenden Aufschmelzen des schmelzbaren Einsatzes 12, welcher in einem Gestell 19 des Schachtofens 10 flüssig vorliegt. Über einen Abstich 20 kann dieses aufgeschmolzene Material aus dem Schachtofen 10 abgezogen werden. Über eine oder mehrere Brennerlanzen 21 kann in den Schmelzbereich des

Schachtofens 10 ferner Petrolkoks 22 in vermahlenem Zustand eingeblasen werden, wie im Detail in der DE 10 2011 107 326 A1 veranschaulicht.

Beim Betrieb des Schachtofens 10 bildet sich Gichtgas 23, das aus der Gicht des Schachtofens 0 abgezogen werden kann. Das Gichtgas 23 ist kohlenmonoxidhaltig und kann, nach einer hier nicht dargestellten Aufbereitung, beispielsweise einer Entstaubung, in einem Winderhitzer 24 zur Erwärmung des Heißwinds 16 verwendet werden. Wie bereits erläutert, kommt es insbesondere dann, wenn in einem

entsprechenden Schachtofen 10 ausschließlich Kokereikoks verbrannt wird, zu Schwankungen in dem Energiegehalt des Gichtgases 23 und weiteren Nachteilen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist es daher vorgesehen, zumindest einen Wert, der einen Energiegehalt des in den wenigstens einen Schachtofen eingebrachten Kokereikokses 13 kennzeichnet, zu bestimmen. Dieser kann sich beispielsweise aus der gesamten Menge des eingebrachten Kokereikokses und/oder dessen Heizwert bzw. dessen chemischer Zusammensetzung ergeben. Wird festgestellt, dass dieser Wert um mehr als einen vorbestimmten Wert von einem Sollwert abweicht, kann dies erfindungsgemäß durch ein Verändern der Einspeisung des Petrolkokses 22 zumindest teilweise ausgeglichen werden.

Hierzu ist im dargestellten Beispiel eine Steuereinrichtung 25 ausgebildet. Ferner ist im dargestellten Beispiel eine Messeinrichtung 26 bereitgestellt, die dafür eingerichtet sein kann, einen Energiegehalt des aus dem Schachtofen 10 abgezogenen Gichtgases 23 zu ermitteln. Wie erläutert, wird der Energiegehalt des Gichtgases 23 insbesondere über dessen Kohlenmonoxidgehalt definiert. Die Messeinrichtung 26 ist daher beispielsweise zur Messung eines Kohlenmonoxidgehalts des Gichtgases 23 ausgebildet. Eine derartige Messeinrichtung 26 kann in einer entsprechenden Anlage 100 ohnehin vorhanden sein oder im Rahmen der vorliegenden Erfindung zusätzlich bereitgestellt werden. Ein durch einen gestrichelten Pfeil veranschaulichtes und durch die Messeinrichtung 26 ausgegebenes Messsignal 27 kennzeichnet den Energiegehalt des Kokereikokses 13 in dem Schachtofen 10 und wird der Steuereinrichtung 25 zur Auswertung und/oder Weiterverarbeitung zugeführt.

Die Steuereinrichtung 25 kann auf dieser Grundlage eine erforderliche Menge an Petrolkoks 22 ermitteln und in Abhängigkeit hiervon über ein mit einem weiteren gestrichelten Pfeil veranschaulichtes Ansteuersignal 28 eine Dosiereinrichtung 29 für den Petrolkoks 22 ansteuern.

Die Steuereinrichtung 25 kann auch zur Entgegennahme bzw. Ausgabe weiterer Messwerte und/oder Ansteuersignale 30 und 31 eingerichtet sein, wie hier mit Pfeilen schematisch veranschaulicht. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 25 dafür eingerichtet sein, eine Menge und/oder einen Sauerstoffgehalt des sauerstoffhaltigen Gasgemisches 17 und/oder des damit beaufschlagten Heißwinds 16 einzustellen. Die Steuereinrichtung 25 kann insbesondere auch an eine Benutzerinteraktionseinheit angebunden sein, über die ein Benutzer Werte vorgeben und/oder auslesen kann.