EP0033093A2 - Verfahren zur trockenen Kokskühlung - Google Patents

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EP0033093A2
EP0033093A2 EP81100244A EP81100244A EP0033093A2 EP 0033093 A2 EP0033093 A2 EP 0033093A2 EP 81100244 A EP81100244 A EP 81100244A EP 81100244 A EP81100244 A EP 81100244A EP 0033093 A2 EP0033093 A2 EP 0033093A2
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B39/00—Cooling or quenching coke
    • C10B39/02—Dry cooling outside the oven

Definitions

  • the invention relates to a method for cooling gas-permeable bulk material with a temperature-dependent coefficient of thermal conductivity and a shaft-shaped chamber in which the bulk material applied from above is treated in countercurrent with a gaseous cooling medium rising from the bottom, the cooling medium being used in two partial flows.
  • the method used to achieve this object is characterized in that the first partial flow of the cooling medium is introduced into the lower part of the chamber in a manner known per se, while the second partial flow is fed into a region of the chamber in which the bulk material to be cooled is at least has a temperature ( ⁇ G ) above which the thermal conductivity ( ⁇ ) of the bulk material rises sharply depending on the temperature.
  • the invention is based on the knowledge that for certain solids, which include coke, the thermal conductivity ( ⁇ ) is strongly temperature-dependent.
  • the illustration in Fig. 1 therefore shows a coordinate system in which the temperature ( ⁇ ) and the ordinate the thermal conductivity ( ⁇ ) have been plotted on the abscissa.
  • the typical curve profile shown in this coordinate system clearly shows that in such cases the coefficient of thermal conductivity (A) initially does not increase or increases very slowly with increasing temperature. Only when a certain limit temperature ( ⁇ G ), which of course depends on the substance, is reached or exceeded, does the heat conductivity increase relatively steeply.
  • the time course of the convective total heat transport between the solid and the gaseous cooling medium is determined by the thermal conductivity in the solid itself and the heat transfer resistance between the solid and the gaseous cooling medium.
  • the thermal resistance and thus materially because S the indicates the characteristic thickness of the solid body in question and its coefficient of thermal conductivity.
  • the thermal resistance can therefore only be influenced by the geometric shape of the solid body.
  • the heat transfer resistance is included defined, whereby the heat exchange between the gaseous cooling medium and the surfaces of the solid is described by the heat transfer coefficient ⁇ .
  • the heat transfer coefficient is dependent on the flow around the solid body, that is to say on its geometric shape and the flow rate of the gaseous cooling medium.
  • This measure can also be supported by the fact that in the area of the feed point of the second partial flow of the cooling medium, the flow velocity of the media is increased by a corresponding narrowing of the flow channel, which additionally reduces the heat transfer resistance ( ) results.
  • this can be brought about by either having a corresponding taper in the upper part of the shaft-shaped chamber, or by installing appropriate internals in the upper part of the chamber.
  • the second partial stream of the gaseous cooling medium should According to the invention, be placed in a region of the chamber in which the coke to be cooled has a temperature of approximately 400 to 600 ° C.
  • the red-hot coke is fed into the shaft-shaped chamber 6 from above into the shaft-shaped chamber 6 at a temperature of approx. 1 100 ° C. in an amount of approx. 80 t / h and initially reaches the uppermost part above the line 3, which is also known as Antechamber 13 is called.
  • the pre-chamber 13 the fluctuations that may occur during the supply of the glowing coke are to be compensated for, so that quasi-stationary conditions can develop in the areas of the chamber 6 underneath.
  • the entire chamber 6 is provided with a suitable refractory lining and has a taper in its upper region II, through which the flow velocities of the media in this region are correspondingly increased compared to the lower region 1.
  • the filled coke forms the fixed bed 7 in the chamber 6, which is shown hatched in the figure.
  • the temperature inside the fixed bed decreases steadily from top to bottom, so that the cooled coke can be drawn off at a temperature of approx.
  • the gaseous cooling medium is introduced into the chamber 6 in two partial flows, the first partial flow entering the lower part of the chamber 6 via the line 1.
  • the second partial flow in an amount of about 30-35% by volume of the total amount is introduced into the chamber 6 via the line 2 in a region in which the fixed bed 7 has a temperature of approximately 500 ° C.
  • ⁇ G limiting temperature
  • ⁇ de 'r thermal conductivity
  • the thermal conductivity in the fixed bed 7 is smaller than the heat transfer resistance, while below the feed point the conditions are exactly the opposite.
  • the heated gaseous cooling medium is withdrawn via the line 3 from the upper part of the chamber 6 and reaches the waste heat boiler 4, in which the necessary cooling takes place with heat recovery.
  • the cooled gaseous cooling medium can then be recirculated to line 1 via line 9 and blower 10.
  • Line 2 branches off from this.
  • the control flaps 11 and 12 are used for the necessary adjustment of the two partial flows. Instead of the butterfly valves 11 and 12, fans can also be used to regulate the two partial flows.
  • Inert gas preferably flue gas, is used as the gaseous cooling medium.
  • the tapering of the chamber 6, through which the flow velocities in the upper part thereof are to be increased, begins in the region of the entry point of the line 2 into the chamber 6. This is of course a pure one Contingent measure that is not always necessary.

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Abstract

Bei diesem Verfahren wird gasdurchlässiges Schüttgut mit stark temperaturabhängiger Wärmeleitzahl von oben in eine schachtförmige Kammer aufgegeben, in der es im Gegenstrom mit einem von unten nach oben aufsteigenden gasförmigen Kühlmedium behandelt wird. Die Zufuhr des Kühlmedius erfolgt dabei in zwei Teilströmen, wobei der erste Teilstrom in den Unterteil der Kammer eingeleitet wird, während der zweite Teilstrom in einen Bereich der Kammer aufgegeben wird, in dem das zu kühlende Schüttgut mindestens eine Temperatur (eG) aufweist, oberhalb derer die Wärmeleitzahl (λ) des Schüttgutes in Abhängigkeit von der Temperatur stark ansteigt. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur trockenen Kokskühlung.

Description

  • Verfahren zur Kühlung von gasdurchlässigem Schüttgut.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung von gasdurchlässigem Schüttgut mit stark temperaturabhängiger Wärmeleitzahl und einer schachtförmigen Kammer, in der das von oben aufgegebene Schüttgut im Gegenstrom mit einem von unten nach oben aufsteigenden gasförmigen Kühlmedium behandelt wird, wobei die Aufgabe des Kühlmediums in zwei Teilströmen erfolgt.
  • Es ist bekannt, Schüttgüter unterschiedlicher Art dadurch zu kühlen, dass man sie von oben in eine schachtförmige Kammer aufgibt, die im Gegenstrom zu dem herabfliessenden Schüttgut von einem gasförmigen Kühlmedium, vorzugsweise Luft oder Inertgas, durchströmt wird, wobei das kalte Kühlmedium normalerweise in den Unterteil der Kammer eingeleitet und das erwärmte Kühlmedium aus dem Oberteil der Kammer abgezogen wird. Das erwärmte Kühlmedium kann dabei anschliessend gegebenenfalls unter Wärmerückgewinnung in einem Wärmetauscher, einem Abhitzekessel oder einer sonstigen Kühleinrichtung entsprechend abgekühlt und danach im Kreislauf zur Aufgabestelle im unteren Teil der schachtförmigen Kammer zurückgeführt werden.
  • In neuerer Zeit hat die vorstehend beschriebene Arbeitsweise insbesondere für die sogenannte trockene Kokskühlung an Bedeutung gewonnen. Ausgangspunkt dieser Entwicklung war dabei die Überlegung, dass die bisher in der Kokereitechnik übliche Methode zur Kokskühlung, bei der der glühende Koks durch Löschen mit Wasser in besonderen Löschtürmen gekühlt wird, unter den Gesichtspunkten der Energienutzung bzw. Energierückgewinnung sowie des Umweltschutzes ausserordentlich ungünstig ist. Bei diesem bisher üblichen Kokslöschen wird nämlich die mit dem Löschwasser abgeführte Wärmemenge ungenutzt in die Umwelt, d. h. in Form von Dampfschwaden in die Luft und/oder mit dem ablaufenden Löschwasser, abgeführt.
  • Bei Anwendung der weiter oben beschriebenen Arbeitsweise ist es dagegen möglich, einen grossen Teil der Wärme des glühenden Kokses bei der Abkühlung des im Kreislauf geführten gasförmigen Kühlmediums in einem Abhitzekessel oder dergleichen wiederzugewinnen.
  • Es liegt daher auf der Hand, dass die sogenannte trockene Kokskühlung ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung darstellt, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein. Allerdings hat sich dabei gezeigt, dass die Abwärtsbewegung des zu kühlenden Kokses in der schachtförmigen Kammer unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweisen kann. Ebenso ist die Gasströmung durch den Querschnitt der Kammer in vielen Fällen ungleichmässig. Beides bedingt natürlich auch eine ungleichmässige Kühlung des Kokses, wobei diese insbesondere im Oberteil der Kammer langsamer erfolgt.
  • Für das Trockenlöschen von Koks ist deshalb aus der DE-AS 24 32 025 bereits eine Vorrichtung bekannt, bei der das gasförmige Kühlmedium in zwei Teilströmen in die Kühlkammer eingeleitet wird. Der eine Teilstrom wird dabei am Boden der Kammer in das dort vorhandene Festbett eingeleitet, während der zweite Teilstrom über einen sogenannten Stromteiler in das Innere der Kammer geleite: wird und dort im Bereich der Mittelpunktachse in das Festbett austritt. Es werden jeodch in dieser Veröffentlichung keinerlei Angaben darüber gemacht, unter welchen speziellen Bedingungen die Aufgabe des zweiten Teilstromes des Kühlmediums erfolgen bzw. wie die Aufteilung der Teilströme sein soll. Die dort beschriebene Vorrichtung verfolgt vielmehr lediglich den Zweck, eine möglichst gleichmässige Bewegung des zu behandelnden Gutes bei möglichst gleichmässiger Verteilung des Kühlmediums zu erreichen.
  • Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art eine generelle Optimierung herbeizuführen, wobei insbesondere eine Verbesserung in folgenden Punkten erfolgen soll :
    • 1. Herabsetzung des Druckverlustes des gasförmigen Kühlmediums in der Kammer.
    • 2. Günstige Beeinflussung der Temperaturdifferenzen zwischen gasförmigem Kühlmedium und Feststoff.
    • 3. Verbesserte Regelbarkeit sowohl im Hinblick auf die Menge des gasförmigen Kühlmediums als auch im Hinblick auf die Wärmeabfuhr aus dem zu kühlenden Schüttgut.
  • Das der Lösung dieser Aufgabe dienende Verfahren ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilstrom des Kühlmediums in an sich bekannter Weise in den Unterteil der Kammer eingeleitet wird, während der zweite Teilstrom in einen Bereich der Kammer aufgegeben wird, in dem das zu kühlende Schüttgut mindestens eine Temperatur ( ϑG) aufweist, oberhalb derer die Wärmeleitzahl (λ) des Schüttgutes in Abhängigkeit von der Temperatur stark ansteigt.
  • Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass bei bestimmten Feststoffen, zu denen unter anderen auch der Koks gehört, die Wärmeleitzahl (λ) stark temperaturabhängig ist. Die Abbildung in Fig. 1 zeigt deshalb ein Koordinatensystem, bei dem auf der Abszisse die Temperatur (ϑ) und der Ordinate die Wärmeleitfähigkeit (λ) aufgetragen wurden. Der in diesem Koordinatensystem dargestellte typische Kurvenverlauf lässt ganz klar erkennen, dass in derartigen Fällen die Wärmeleitzahl (A) mit steigender Temperatur zunächst gar nicht bzw. sehr langsam ansteigt. Erst wenn eine bestimmte Grenztemperatur (ϑG), die natürlich stoffabhängig ist, erreicht bzw. überschritten wird, erfolgt ein verhältnismässig steiler Anstieg der Wärmeleitzahl.
  • Andererseits wird der zeitliche Ablauf des konvektiven Gesamtwärmetransports zwischen dem Feststoff und dem gasförmigen Kühlmedium durch den Wärmeleitwiderstand im Feststoff selbst und dem Wärmeübergangswiderstand zwischen dem Feststoff und dem gasförmigen Kühlmedium bestimmt. Hierbei ist der Wärmeleitwiderstand =
    Figure imgb0001
    und somit stofflich bedingt, weil S die charakteristische Dicke des betreffenden Feststoffkörpers und dessen Wärmeleitzahl angibt.
  • Der Wärmeleitwiderstand ist deshalb nur durch die geometrische Form des Feststoffkörpers beeinflussbar. Der Wärmeübergangs - widerstand wird dagegen mit
    Figure imgb0002
    definiert, wobei durch die Wärmeübergangszahl α der Wärmeaustausch zwischen dem gasförmigen Kühlmedinm und den Oberflächen des Feststoffes beschrieben wird. Die Wärmeübergangszahl ist dabei abhängig von der Umströmung des Feststoffkörpers, das heisst von seiner geometrischen Form und der Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Kühlmediums.
  • Im Hinblick auf die weiter oben beschriebene Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitzahl (λ) ergibt sich hieraus jedoch, dass im Bereich unterhalb der Grenztemperatur (ϑG) folgende Beziehung gilt :
    Figure imgb0003
    während andererseits im Bereich oberhalb der Grenztemperatur (ϑG) die umgekehrte Beziehung gilt :
    Figure imgb0004
  • Für die Praxis bedeutet dies jedoch, dass sich im unteren Teil der schachtförmigen Kammer wegen dort erfolgter starker Abkühlung des Schüttgutes eine niedrigere Wärmeleitzahl (α) und damit ein hoher Wärmeleitwiderstand (
    Figure imgb0005
    ) einstellt, der den Gesamtwärmetransport bestimmt. Es ist deshalb nicht zweckmässig, bereits die Gesamtmenge des gasförmigen Kühlmediums in den Unterteil der schachtförmigen Kammer einzuleiten, da dort nicht der ihrer Menge entsprechende Kühleffekt erzielt wird. Es genügt vielmehr, wenn in den Unterteil der Kammer ein Teilstrom des gasförmigen Kühlmediums eingeleitet wird, der gerade ausreicht, um die dort vorhandene Wärme abzuführen. Es ist für den Kühleffekt vielmehr besser, wenn der zweite Teilstrom des gasförmigen Kühlmediums in den oberen Bereich der schachtförmigen Kammer eingeleitet wird, in dem das zu kühlende Schüttgut noch eine Temperatur aufweist, die nicht unterhalb der sogenannten Grenztemperatur ( ϑG) liegt, weshalb der Wärmeleitwiderstand (
    Figure imgb0006
    ) dort entsprechend klein ist.
  • Es hat sich als zweckmässig erwiesen, dass erfindungsgemäss dabei mit dem zweiten Teilstrom etwa 20 bis 50 Vol. -% der insgesamt erforderlichen Menge des Kühlmediums aufgegeben werden.
  • Diese Massnahme kann zusätzlich noch dadurch unterstützt werden, dass im Bereich der Aufgabestelle des zweiten Teilstromes des Kühlmediums die Strömungsgeschwindigkeit der Medien durch eine entsprechende Verengung des Strömungskanals heraufgesetzt wird, was zusätzlich eine Verringerung des Wärmeübergangswider-Standes (
    Figure imgb0007
    ) zur Folge hat. Konstruktiv lässt sich das dadurch herbeiführen, dass entweder die schachtfömige Kammer in ihrem oberen Teil eine entsprechende Verjüngung aufweist, oder es werden im Oberteil der Kammer entsprechende Einbauten angebracht.
  • Bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens zur trockenen Kokskühlung soll der zweite Teilstrom des gasförmigen Kühlmediums erfindungsgemäss in einem Bereich der Kammer aufgegeben werden, in dem der zu kühlende Koks eine Temperatur von ca. 400 bis 600 ° C aufweist.
  • Diese Arbeitsweise soll nachfolgend als Ausführungsbeispiel an Hand des in Fig. 2 dargestellten Fliessschemas erläutert werden. Dabei wird der glühende Koks über die Beschickung 5 mit einer Temperatur von ca. 1 100 ° C in einer Menge von ca. 80 t/h von oben in die schachtförmige Kammer 6 eingefüllt und gelangt zunächst in den oberhalb der Leitung 3 befindlichen obersten Teil, der auch als sogen. Vorkammer 13 bezeichnet wird. In der Vorkammer 13 sollen die eventuell bei der Zufuhr des glühenden Kokses auftretenden Schwankungen ausgeglichen werden, so dass sich in den darunter liegenden Bereichen der Kammer 6 quasi stationäre Verhältnisse ausbilden können. Die gesamte Kammer 6 ist mit einer geeigneten feuerfesten Auskleidung versehen und weist in ihrem oberen Bereich II eine Verjüngung auf, durch die die Strömungsgeschwindigkeiten der Medien in diesem Bereich gegenüber dem unteren Bereich 1 entsprechend heraufgesetzt werden.
  • Der eingefüllte Koks bildet in der Kammer 6 das Festbett 7, welches in der Abbildung schraffiert dargestellt ist. Die Temperatur innerhalb des Festbettes nimmt dabei von oben nach unten stetig ab, so dass der gekühlte Koks entsprechend der Aufgabemenge über den Austrag 8 mit einer Temperatur von ca. 180 °C abgezogen werden kann.
  • Das gasförmige Kühlmedium wird erfindungsgemäss in zwei Teilströmen in die Kammer 6 eingeleitet, wobei der erste Teilstrom über die Leitung 1 in den Unterteil der Kammer 6 eintritt. Gleichzeitig wird der zweite Teilstrom in einer Menge von etwa 30 - 35 Vol.-% der Gesamtmenge über die Leitung 2 in einem Bereich in die Kammer 6 eingeleitet, in dem das Festbett 7 eine Temperatur von ca. 500 ° C aufweist. Bei diesem Temperaturwert werden die erfindungsgemässen Bedingungen bezüglich der Grenztemperatur (ϑG) de'r Wärmeleitzahl (λ) erfüllt.
  • Oberhalb der Aufgabestelle für den zweiten Teilstrom des gasförmigen Kühlmediums ist im Festbett 7 der Wärmeleitwiderstand kleiner als der Wärmeübergangswiderstand, während unterhalb der Aufgabestelle die Verhältnisse genau umgekehrt sind.
  • Dies ist in der Abbildung in Fig. 2 formelmässig dargestellt.
  • Das aufgeheizte gasförmige Kühlmedium wird über die Leitung 3 aus dem Oberteil der Kammer 6 abgezogen und gelangt in den Abhitzekessel 4, in dem unter Wärmerückgewinnung die erforderliche Abkühlung erfolgt. Danach kann das abgekühlte gasförmige Kühlmedium über die Leitung 9 und das Gebläse 10 im Kreislauf zur Leitung 1 zurückgeführt werden. Von dieser zweigt die Leitung 2 ab. Die Stellklappen 11 und 12 dienen dabei der erforderlichen Einregulierung der beiden Teilströme. Anstelle der Stellklappen 11 und 12 können auch Gebläse zur Einregulierung der beiden Teilströme verwendet werden. Ebenso sind anstelle der Wärmerückgewinnung im Abhitzekessel auch andere Möglichkeiten zur Wärmerückgewinnung denkbar, bei denen die wiedergewonnene Energie beispielsweise zur Vorerhitzung der Kokskohlen oder als Prozesswärme eingesetzt wird. Als gasförmiges Kühlmedium wird Inertgas, vorzugsweise Rauchgas, verwendet. Wie aus der Abbildung in Fig. 2 zu erkennen ist, beginnt die Verjüngung der Kammer 6, durch die die Strömungsgeschwindigkeiten im Oberteil derselben heraufgesetzt werden sollen, im Bereich der Eintrittsstelle der Leitung 2 in die Kammer 6. Es handelt sich hierbei natürlich um eine reine Eventualmassnahme, die nicht in jedem Falle erforderlich ist.
  • Die Vorteile des gefindungsgemässen Verfahrens lassen sich wie folgt zusammenfassen :
    • 1. Der Druckverlust für die Durchströmung der Kammer wird herabgesetzt, da der Gasstrom aufgeteilt wird und somit nicht die gesamte Gasmenge durch das gesamte Schüttgut gedrückt werden muss. Hieraus resultiert ein verringerter Energiebedarf für das Gebläse.
    • 2. Die Temperaturdifferenzen zwischen Gas und Feststoff werden günstig beeinflusst.
    • 3. Durch die Aufteilung in Teilströme wird die Gasmenge besser regelbar, was wiederum eine verbesserte Regelbarkeit der Wärmeabfuhr aus dem Festbett zur Folge hat.

Claims (4)

1. Verfahren zur Kühlung von gasdurchlässigem Schüttgut mit stark temperaturabhängiger Wärmeleitzahl in einer schacht-- förmigen Kammer, in der das von oben aufgegebene Schüttgut im Gegenstrom mit einem von unten nach oben aufsteigenden gasförmigen Kühlmedium behandelt wird, wobei die Aufgabe des Kühlmediums in zwei Teilströmen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilstrom des Kühlmediums in an sich bekannter Weise in den Unterteil der Kammer eingeleitet wird, während der zweite Teilstrom in einem Bereich der Kammer aufgegeben wird, in dem das zu kühlende Schüttgut mindestens eine Temperatur (ϑG) aufweist, oberhalb derer die Wärmeleitzahl (λ) des Schüttgutes in Abhängigkeit von der Temperatur stark ansteigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Aufgabestelle des zweiten Teilstromes des Kühlmediums zusätzlich die Strömungsgeschwindigkeit der Medien durch eine entsprechende Verengung der Strömungskanals heraufgesetzt wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem zweiten Teilstrom etwa 20 bis 50 Vol. -% der insgesamt erforderlichen Menge des Kühlmediums aufgegeben werden.
4. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 - 3 auf die sogenannte trockene Kokskühlung, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilstrom des Kühlmediums in einem Bereich der Kammer aufgegeben wird, in dem der zu kühlende Koks eine Temperatur von ca. 400 bis 600 ° C aufweist.
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