Überprüfung des praktischen Kupolofenbetriebs mit Kindai Bio-coke

Prof. Manabu Fuchihata, Dr.Tamio Ida
Faculty of Science and Engineering, Kindai University, Japan

Dr. Hirotoshi Murata
Naniwa Roki Co. Ltd.

„Kindai Bio-coke“, nachfolgend als BIC bezeichnet, ist ein fester Biomasse-Brennstoff. Dieser wird aus verarbeiteten Pflanzen hergestellt durch Erhitzen, Pulverisieren und nachfolgendes Verdichten. Bei BIC handelt es sich nicht um karbonisierte Biomasse-Briketts, denn ihre Herstellungstemperatur liegt typischerweise unterhalb 200°C. Daher hat das Material, verglichen mit Biokoks, einen relativ niedrigen Kohlenstoffgehalt, relativ hohe Anteile an flüchtigen Bestandteilen, und einen relativ hohen Feuchtegehalt.

In dieser Forschungsarbeit wurde untersucht, ob Gießereikoks partiell durch BIC ersetzt werden kann. Beim partiellen Ersatz des von Gießereikoks durch BIC (aus unterschiedlicher Biomasse) wurden die Betriebsparameter von Kupolöfen mit BIC bestimmt. Außerdem die Variation der maximalen Ersatzrate für Gießereikoks, bezogen auf die Zusammensetzung der Bio-Kokse. Hieraus wurde eine Praxistechnik zum Einsatz von Biokoks entwickelt. 

Zuerst wurden die Karbonisierung und die Verbrennungseigenschaften von BIC untersucht. Ergebnis: Die Koks-Ausbeute von BIC ist höher, und die mechanische Festigkeit von BIC ist höher als diejenige von herkömmlichen Holzkohle-Briketts (gemessen bei Raumtemperatur). Es wird angenommen, dass diese Eigenschaften den partiellen Ersatz von Gießereikoks ermöglichen, obwohl es sich bei BIC nicht um karbonisierte Briketts handelt.

Als Ergebnis der Anwendung von BIC als Brennstoff in Kupolöfen kann bestätigt werden, dass BIC einen vergleichbaren Energieinhalt wie Gießereikoks hat und somit eine hohe Eignung zum Einsatz als Ersatz für Gießereikoks im Kupolofen-Betrieb. Dennoch hat sich gezeigt, dass der C-Gehalt im Abstich absinkt, abhängig von der Art des BIC. Ein Absinken des C-Gehalts kann durch Setzen von Gießereikoks verhindert werden. Außerdem kann der maximale BIC-Satzanteil über die Wasserstoffkonzentration im Gichtgas bestimmt werden. Insbesondere hat sich gezeigt, dass die Wasserstoff-Freisetzung von BIC stark schwankt, abhängig von den eingesetzten Ausgangsmaterialien und ihren organischen Komponenten. Dies führt zu einem unterschiedlichen thermischen Verhalten. Die Wasserstoff-Freisetzung wird auch durch Feuchtigkeitsaufnahme bei der Lagerung beeinflusst.

Der Ersatz von Gießereikoks durch Biokoks resultiert direkt in reduzierten der Kohlendioxid-Emissionen, aufgrund des CO2-neutralen Rohstoffkonzepts (basierend auf der Kohlenstoff-Absorption mittels Photosynthese und Sonnenenergie). Die Reduktion der CO2-Emissionen des Kupolofens ist ein dringliches Thema, und wir sehen die Verwendung von Biokoks als effektive Antwort an. Wir engagieren uns weiterhin im Kupolofenbetrieb mit Biokoks.

Um den Markt für BIC zu entwickeln, engagieren wir uns außerdem in der Normung von BIC. Dennoch ist dies noch nicht erreicht, denn BIC kann aus verschiedenen Biomasse-Quellen hergestellt werden, und seine Eigenschaften reflektieren die darin enthaltenen Substanzen. Einige Gießereien haben bereits den Gießereikoks partiell durch BIC ersetzt. Die Gießereien stellen ihren Biokoks entweder selbst her, oder sie werden vom Biokoks-Hersteller beliefert.

Verification of practical operation for a cupola with Kindai Bio-coke

Prof. Manabu Fuchihata, Dr.Tamio Ida
Faculty of Science and Engineering, Kindai University, Japan

Dr. Hirotoshi Murata
Naniwa Roki Co. Ltd.

‘Kindai Bio-coke’, hereafter called BIC, is a solid biomass fuel made of plant-derived substance by heating and adding pressure after pulverization. BIC is not a carbonized biomass briquet as its forming temperature is typically less than 200°C. Therefore, it has a low fixed carbon content, high volatile matter, and a high moisture content compared to that of foundry coke. In this research, we engaged in partially substituting foundry coke by BIC. When partially substituting the fuel for the cupola by BIC made of a variety of different substances, we found the characteristics of operating cupolas using BIC and the difference of the maximum substitution rate for foundry coke related to the substances of bio-coke and developed a practical technology for utilizing bio-coke.

First the carbonization and combustion characteristics of BIC were examined. As a result, it is found that the char yield of BIC is higher, and the mechanical strength of the BIC char is higher than that of common wood char briquets (measured at room temperature). It is anticipated that these characteristics make it possible to substitute foundry coke to some extent despite it is not a carbonized briquet.

As a result of using BIC as the fuel for cupolas, we confirmed that BIC with equivalent caloric value to foundry coke has a high suitability to be used as a substitute to foundry coke in operating the cupolas. However, it is found that tap C decreases depending on the kind of BIC, but we can inhibit the decrease of tap C by adding foundry coke in turn. Moreover, we can evaluate the maximum substitution rate of BIC by measuring the concentration of hydrogen in gas emission. Especially, it is found that the hydrogen generation from BIC varies greatly with the used biomass types and their organic constituents. This results in different thermal characteristics. Hydrogen generation can also be influenced by absorption of moisture during storage.

The substitution of foundry coke by bio-coke directly results in the reduction of carbon dioxide emissions, due to the carbon dioxide-neutral raw material concept (which is based on carbon pick-up by photosynthesis, powered by solar energy). The reduction of carbon dioxide emissions in cupola operation is an urgent issue and we regard the utilization of bio-coke as the effective answer to it. We continue to engage in cupola operation using bio-coke.

In order to establish the market for BIC, we are also engaged in the standardization of BIC. However, it is not accomplished yet because BIC can be produced from various biomass sources and its characteristics reflect the substances contained in them. Although some foundries have already partially substituted foundry coke by BIC, the BIC used in each case is produced by the foundry itself, or is supplied by a bio-coke producer.

Prof. Manabu Fuchihata