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Heutige Qualitätsanforderungen an HOCHOFENKOKS
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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
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3
Agenda
o Deutsche Roheisen- und Koksproduktion
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Blast Furnaces in Operation and Aveage Production per Blast Furnace and Year in Germany
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5
Prof. Dr. Schmöle, TKSE
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Coke production in Germany and consumption by the German steel industry
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Location of coke oven plants in Germany
VDEh, Dr. Bodo Lüngen
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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
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Coke production in Germany and coking coal supply in 2011
Dr. Bodo Lüngen, VDEh
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Injection coal and external coke supply to the German iron and steel works in 2011
Dr. Bodo Lüngen, VDEh
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Agenda
o Funktionen des Hochofenkokses im modernen Hochofenbetrieb
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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
Prof. Dr. Schmöle, TKSE
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Entwicklung der Hochofengröße in Deutschland (1960 – 1993)
Prof. Dr. Schmöle, TKSE
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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
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Gasverteilung innerhalb eines Großhochofens
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Agenda
o Parametrierung der Hochofenkoks-Qualität
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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
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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
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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!
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Correlation of BF performance and coke quality parameters
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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
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• 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
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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
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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 %
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Australia
35%
Canada
20%
USA
35%
Petcoke
10%
Typische Einsatz-Kohlenmischung KBS
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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
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Thermoscans unserer Kohlen vom Coal Terminal Europoort; die hot-spots bewirken den Verlust an Verkokungsvermögen
100 degrees +
75 untill 80 degrees
65 untill 75 degrees
55 untill 65 degrees
45 untill 55 degrees
30 untill 45 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
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Wöchentliche Messung des Innengasdruckes im industriellen Koksofen
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Rissbildung im Koks infolge unzureichender
Aufmahlung von Einsatzkohlen
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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
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39
63
179
513
40100
161
0
100
200
300
400
500
600
700
800
August Thyssen Schwelgern
Employee
Production
Employee
Maintenance
Staff
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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
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Die Stampfmaschine der Zentralkokerei Saar hat ein Dienstgewicht von 1.200 t !
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Heizwandaufbau der Kokerei Schwelgern
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Heizwandaufbau der Kokerei Schwelgern
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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
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KTK-Kokerei August Thyssen
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70 m
Löschturm Kokerei August Thyssen CSQ - Turm Schwelgern
Vergleich von Löschtürmen
40 m
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CSQ-Quenching Car
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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
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• 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
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Agenda
o Zusammenfassung
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• 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)