Numerische und experimentelle Untersuchung eines Druckregelungsventils für Koksöfen

Brinkhorst, Natalie

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung eines Systems zur Einzelkammerdruckregelung auf Kokereien, das von der Firma DMT GmbH & Co. KG entwickelt und patentiert wurde. Das System wird auf modernen Kokereien eingesetzt, um Emissionen an den Koksöfen zu reduzieren und somit den strengen Umweltanforderungen hinsichtlich der Qualität der Umgebungsluft gerecht zu werden. Aufgrund der weltweit steigenden Stahlproduktion werden jedes Jahr enorme Mengen an Koks benötigt. Dieser Koks wird auf Kokereien in großen Ofenkammern produziert. Dabei wird Kohle unter Sauerstoffausschluss durch die zwischen 1150 und 1350 °C heißen Heizwände erhitzt. Dieser Vorgang der Pyrolyse dauert zwischen 18 und 24 Stunden. Während die flüchtigen Bestandteile und der Teer der Kohle als Gase entweichen, bleibt der Kokskuchen als fertiges Produkt im Ofen. In einer sogenannten Batterie sind 50 bis 70 dieser Ofenkammern zusammengeschlossen und über eine Sammelleitung verbunden, durch welche die Gase zur Reinigung geführt werden. Im konventionellen Kokereibetrieb werden die Gassammelleitung und dementsprechend auch die einzelnen Öfen im Überdruck betrieben, um das Eindringen der Umgebungsluft in die Ofenkammern zu verhindern, was zur Schädigung des Materials führen würde. Dadurch ist es aber unvermeidlich, dass es an den Ofentüren und Fülllöchern zu starken, hochgradig krebserregenden Emissionen kommt, da die Dichtungen den hohen Temperaturen und aggressiven Gasen bereits bei wenigen Millibar Überdruck nicht standhalten. Mit dem Einsatz des untersuchten Systems kann die Sammelleitung bei modernen Anlagen im Unterdruck betrieben werden und der Ofendruck gleichzeitig im minimal positiven Bereich gehalten werden. Realisiert wird das durch eine variable Wassertauchung. Die Emissionen werden dadurch um bis zu 70 % verringert. Ziel dieser Arbeit ist die Strömungsbeschreibung innerhalb des Systems und seiner zu- und abführenden Komponenten und eine darauf aufbauende Optimierung des Systems zur weiteren Emissionsreduktion auf Kokereien. Dazu werden zunächst Strömungssimulationen der zum Teil geschichteten und auch dispersen turbulenten Zweiphasenströmung innerhalb des Systems durchgeführt. Als Stoffe werden im ersten Ansatz Wasser und Luft verwendet, da die Ergebnisse anhand von Messwerten, die auf einem Teststand aufgenommen werden, validiert werden. Die experimentellen Untersuchungen bestehen aus Druckmessungen und einer Visualisierung der Strömung in einem Plexiglasmodell. Die so gewonnenen Ergebnisse werden auf den realen Anwendungsfall übertragen und dienen der besseren Auslegung und Dimensionierung des Systems. Es werden verschiedene Einflussgrößen auf die Druckregelung untersucht. Dazu gehören neben der Gaszusammensetzung auch die Temperatur, die Anströmung des Systems, die Geometrie des Ventils, die Ofengröße und die Einbauposition des Systems. Der Einfluss der zur Kühlung der rund 800 °C heißen Koksgase verwendeten Wassereinspritzung in der zuführenden Leitung des Systems ist ebenfalls Gegenstand der Untersuchungen. Der daraus resultierende Wandfilm und dessen Einfluss auf die Druckregelung werden auch betrachtet. Da das untersuchte System eine Weiterentwicklung darstellt, ist zusätzlich ein Vergleich bezüglich der Regelungseigenschaften des alten und neuen Systems durchgeführt worden. Des Weiteren werden die Wassertauchungen, die am System angebracht sind, untersucht und hinsichtlich der Wassermenge und Geometrie optimiert.

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Brinkhorst, Natalie: Numerische und experimentelle Untersuchung eines Druckregelungsventils für Koksöfen. 2017.

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